temperační systém s vysoce tepelně vodivým materiálem cooling

TEMPERAČNÍ SYSTÉM S VYSOCE TEPELNĚ VODIVÝM MATERIÁLEM
COOLING SYSTEM WITH HIGHLY HEAT – CONDUCTIVE MATERIALS
Luboš BĚHÁLEK, Petr LENFELD
TU v Liberci, Katedra strojírenské technologie – Oddělení tváření kovů a plastů
Technical University in Liberec, Department of Engineering Technology –Section of Metal Forming and Plastics
Příspěvek pojednává o možnosti rovnoměrného zvýšení odvodu tepla z tvarové dutiny vstřikovací formy při
temperaci s vysoce tepelně vodivým materiálem. Řeší rozložení teplotních polí v nástroji při konkrétních podmínkách vstřikování a poukazuje na další přednosti plynoucí z použití takovéhoto způsobu temperace.
Presented paper deals with possibility of uniform increasing of heat transfer from injection cavity during cooling period by means of highly heat-conductive materials. It also solves lay out of temperature fields at actual
injection conditions and point to further advantages resulting from utilization of this new cooling system.
1. ÚVOD
Současný vývoj technologie vstřikování termoplastů na počátku jednadvacátého století klade stále vysoké požadavky na kvalitu výrobků a hospodárnost výroby. S tím souvisí i nové
trendy temperování tvarových částí vstřikovacích forem.
Temperováním forem rozumíme ochlazování nebo ohřev tvářecích částí formy (dle druhu
zpracovávaného polymeru) na požadovanou teplotu před začátkem pracovního cyklu a udržení této teploty během výroby v požadované toleranci.
Z technologického hlediska je výhodnější vyšší teplota formy. Má příznivý vliv na tokové
vlastnosti a kvalitu povrchu výstřiku, zejména na lesk. Chladnutí výstřiku je v takovémto případě rovnoměrnější, vzniká menší vnitřní pnutí a zlepšuje se tvarová stabilita výrobku. Naopak z ekonomického hlediska, kdy doba chlazení určuje celkovou dobu pracovního cyklu a
tím i hospodárnost výroby, je při zpracování termoplastů výhodnější nižší teplota formy.
2. TEMPERAČNÍ SYSTÉMY
Dosažení co největšího a současně stejnoměrného odvodu tepla, které přestupuje do jednotlivých částí formy z taveniny, závisí především na konstrukci temperačního systému a na rozložení teplotních polí kolem tvarové dutiny formy. Volba temperačního systému musí vyhovovat náročným provozním podmínkám. Je ovlivněna konstrukčním řešením výrobku a vyhazovacího mechanismu. Zvolené řešení temperačního systému ovlivňuje nejen vstřikovací cyklus, spotřebu energie, ale i kvalitu výstřiku.
V praxi je používána řada způsobů temperování tvarových dutin vstřikovacích forem. Některé z nich jsou běžně používány, jiné se na poli vstřikování plastů ještě zcela neuchytily.
Temperační kanály
Temperování forem temperačními kanály je nejběžnější a v praxi stále nejpoužívanější způsob temperace.
Ve formě mohou být zhotoveny nejrůznější soustavy kanálů (kruhového, mezikruhového,
čtvercového či obdélníkového průřezu) pro vedení temperačního média (vody, oleje, glykolu).
Z hlediska rovnoměrného rozložení teplot je vždy výhodné volit větší počet menších kanálů,
něž naopak. Temperační kanály jsou konstrukčně řešeny tak, aby velikost průtočného průřezu
nenarušila pevnost součásti. Vzdálenost kanálů od líce formy je ve všech místech stejná a
omezena přípustným kolísáním teploty a velikostí tlaku temperačního média. V případě nut-
nosti dosáhnout vyšší účinnosti chlazení lze kanály přiblížit k tvarové dutině formy, popřípadě
lokálně zmenšit jejich rozteč nebo zapojit zvláštní větev chlazení s vyšší rychlostí průtoku
temperačního média, resp. větším průměrem kanálu, resp. nižší teplotou média.
Tepelné trubice
Tepelná trubice s hliníkovým, ocelovým nebo měděným pláštěm je zařízení umožňující
intenzivní přenos tepla z oblasti o vyšší teplotě do oblasti o teplotě nižší a to i při malém rozdílu teplot mezi oblastmi. Tepelné trubice jsou k chlazení forem používány zejména při vstřikování tvarově členitých výrobků, které by jinak vyžadovaly složité temperační kanály.
Princip činnosti tepelné trubice je zřejmý z obr. 1. Intenzivní výměny tepla se dosáhne na
základě fázové změny teplonosného
přívod tepla
odvod tepla
média (např. čpavku, metylalkoholu,
apod.) uvnitř trubice. Teplonosné médium se v místě zdroje tepla vypařuje a
jako pára proudí do opačné, ochlazované, části trubice. Zde pára kondenzuje
pára
odvedením latentního výparného tepla
kondenzát
do okolí. Vzniklý kondenzát se gravitačními nebo kapilárními silami vrací
zpět
do výparné části a celý cyklus se
vypařování
transport
kondenzace
opakuje.
Obr. 1: Princip činnosti tepelné trubice
Vírové trubice
Při temperaci vírovou trubicí je pro chlazení nebo ohřev využito stlačeného vzduchu. Princip činnosti vírové trubice, která upravuje obyčejný stlačený vzduch do dvou vzduchových
proudů (horkého a studeného), je patrný z obr.2. Stlačený vzduch vstupuje do tangenciálně
vrtaného stacionárního generátoru. Ten nutí vzduch rotovat trubicí podél vnitřní stěny směrem
k horkému řídícímu ventilu. Část vzduchu vystupuje přes jehlový ventil jako horký výfuk
vzduchu a zbývající část je tlačena zpět středem proudu vzduchu, kde se točí, pohybuje pomalu a koná přirozenou výměnu
tepla. Vnitřní sloupec vzduchu
studený
stlačený vzduch
řídící ventil
o
nechá teplo vnějšímu a vystupuje
výstup
(0,4÷0,7 MPa, 21 C)
(až -46oC)
studeným
výfukem. Množství a
horký výstup
o
teplota studeného nebo horkého
(až 100 C)
vzduchu je řízena řídícím ventistacionární generátor
lem.
Obr. 2: Princip činnosti vírové trubice
Temperace kapalným CO2
Jde o nový intenzivní způsob chlazení vstřikovacích forem, založený na odpařování kapalného CO2 ve speciálních mikroporézních ocelových částech formy značky Toolvac.
Kapalný CO2 je do formy přiveden ze zásobníku trubičkami o světlosti 0,3÷0,5mm, proniká
póry a současně expanduje. Vzniklé výparné teplo tak umožňuje rychlý odvod tepla
z chlazeného výstřiku. V případě, že není možné, aby byl výstřik ze vzhledových důvodů
v přímém styku s mikroporézní ocelí, jsou mikropóry utěsněny a odpařený CO2 je odveden
vrtanými kanály. Plynný CO2 se v uzavřeném okruhu vrací zpět k novému zkapalnění.
Vysoce tepelně vodivý materiál
Tento způsob temperace, vložkování forem vysoce tepelně vodivým materiálem, jemuž je
věnován tento příspěvek, je výhodný zejména pro tvarově členité výrobky, které vyžadují
často jinak složité temperační kanály.
3. TEMPERAČNÍ SYSTÉM S VYSOCE TEPELNĚ VODIVÝM MATERIÁLEM
Vliv temperačního systému s vysoce tepelně vodivým materiálem na proces chladnutí je
v ukázce řešen metodou měření časových závislostí teplot, resp. teplotních polí ve vybraných
místech vstřikovací formy, během procesu vstřikování, při konkrétních vstřikovacích podmínkách. K ukázce byla vybrána vstřikovací forma pro výrobu zkušebních těles používaných
ke zkoušce tahem (obr.3). Jedná se o dvounásobnou, třídeskovou formu s plným kuželovým
a.)
b.)
Obr. 3: Vstřikovací forma s deskou z vysoce tepelně
vodivého materiálu (Cu-99,95)
2
a.) pohled zepředu – tvarová dutina formy
b.) pohled zezadu – temperační kanál
3
1- deska pohyblivé části nástroje s tvarovou dutinou
2- deska pohyblivé části nástroje s temperačním kanálem
3- deska z vysoce tepelně vodivého materiálu
1
vtokem a symetricky uspořádanou vtokovou soustavou. Vtok je kolmý na dělící rovinu. Vyhození výstřiku, včetně vtokového zbytku je zajištěno vyhazovacím kolíkem. Temperace pohyblivé (tvárnice) a pevné části formy (tvárníku) probíhá nezávisle na sobě. Chlazení tvárníku
je řešeno trubkovým temperačním systémem a chlazení tvárnice kruhovým temperačním systémem obdélníkového průřezu. Chladícím médiem je voda.
3.1 Experimentální měření
K měření a sledování průběhu teplot v závislosti na čase, v různých místech vstřikovací
formy, jsme použili sestavy měřícího zařízení používané na katedře strojírenské technologie.
Schéma měřícího zařízení složeného z termočlánků typu T (Cu-CuNi), sběrnice, karty AD 18
s převodníkem, osobního počítače, tiskárny pro výstup dat a zálohovacího média je na obr.4.
termočlánky
zapojené ve formě
tiskárna
sběrnice
výstup dat
záloha dat
PC a karta s převodníkem
Obr. 4: Schéma měřícího zařízení
Otvory pro umístění termočlánků byly vyrobeny a rozmístěny ve stejné vzdálenosti od čela
formy tak, aby nedošlo k ovlivnění její činnosti, aby bylo možné sledovat průběh teplot
v okolí temperačních kanálů pohyblivé části nástroje a v neposlední řadě také tak, aby bylo
možné konstrukčně co nejjednodušeji umístit před měřená místa v dalších fázích měření vysoce tepelně vodivý materiál. Vzdálenost a hloubka jednotlivých otvorů od povrchu a čela
desky nástroje (poz.2 na obr.3) je uvedena v tab.1. Všechny otvory mají směr kolmo
k povrchu a k ose nástroje. Osy otvorů č.1 a č.2 jsou dle obr.5 v kartézském souřadném systému x,y,z ve směru osy z a osa otvoru č.3 ve směru osy x.
Tab.1: Vzdálenost a hloubka jednotlivých otvorů
místo
otvoru
1
2
3
vzdálenost a hloubka otvorů od bodu 0
v kartézském souřadném systému x,y,z
x
y
z
90 mm
6 mm
45 mm
60 mm
6 mm
55 mm
20 mm
6 mm
105 mm
Poznámka:
- stěna temperačního kanálu je od čela desky ve směru
osy y ve vzdálenosti 10mm
Obr.5: Umístění měřících otvorů ve vstřikovací formě
Experimentální měření bylo provedeno pro materiál polypropylen Hostacom M2 R03 při
dvou teplotách temperačního média (Ttm=30oC a 60oC). Teplota taveniny, doba cyklu a rychlost proudění temperační kapaliny byly konstantní. Jako vysoce vodivého materiálu bylo postupně použito dvou měděných desek (Cu 99,95) o tloušťce 2mm.
Na počátku experimentu bylo nejprve provedeno měření časových závislostí teplot bez měděných desek v pohyblivé části nástroje a to při těchto technologických parametrech:
Ttav=230oC, Ttm=30oC, resp. 60oC, tc=60s (tch=15s), turbulentní proudění temperačního média.
V dalších fázích měření časových závislostí teplot, pro obě teploty temperačního média, bylo
použito vzájemné vazby aktivního a pasivního temperačního prostředku. Aktivním temperačním prostředkem byla proudící voda v temperačním kanále a pasivním postupně vkládané dvě
měděné desky dle obr.3. Tato měření byla provedena za stejných technologických podmínek,
jako měření předcházející.
Po celý průběh měření (vstřikování, dotlak, chlazení a vyhození výstřiku), po dobu 500s,
byly sledovány pro všechna měřená místa vstřikovací formy hodnoty elektrického napětí,
které se pomocí převodníku převedly na příslušnou teplotu ve stupních Celsia. Naměřené
hodnoty pak byly vyneseny do grafických závislostí T=f(t). Pro přehlednost vyhodnocení je
dle způsobu temperace každému časovému průběhu teploty přiřazena konkrétní barva křivky.
Pro ukázku zjištěných závislostí teplot na čase jsou zde uvedeny výsledky pro obě teploty
temperačního média a pro všechny tři způsoby temperace v měřeném místě č.3 (obr.6).
56,0
53,0
50,0
teplota T [ oC]
47,0
Ttm=60oC
průběh bez Cu desky
průběh s Cu deskou 2mm
průběh s Cu deskami 2x2mm
44,0
41,0
38,0
35,0
32,0
Ttm=30oC
29,0
průběh bez Cu desky
průběh s Cu deskou 2mm
průběh s Cu deskami 2x2mm
26,0
23,0
20,0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
čas t [s]
Obr. 6: Průběhy závislosti teploty formy T na čase t v místě měření č.3, při Ttm=30oC a 60oC a různých
způsobech temperace
3.2 Simulace teplotních polí pomocí programu MKP
V rámci ověření experimentálního měření a porovnání naměřených hodnot byla provedena
simulace teplotních polí, resp. časových závislostí teplot, ve vybraných místech vstřikovací
formy za stejných vstupních podmínek, jako u prováděných experimentů.
K simulaci byl použit software ALGOR umožňující řešení nejen teplotních, ale i napěťových úloh ve dvou a třídimenzionálním tvaru. Jedná se o komplexní program pro řešení úloh
metodou konečných prvků, který byl v našem případě využit k řešení teplotních polí
v namodelované vstřikovací formě, při různém způsobu a teplotě temperace, ve zvoleném
časovém okamžiku, pro zadané počáteční a okrajové podmínky.
Na obr. 7a,b jsou ukázky rozložení teplotních polí ve vstřikovací formě ve zvoleném čase
t=25s, při Ttm=30oC a způsobu temperace bez měděné desky, resp. s měděnými deskami.
Teplotní stupnice [oC]
a.)
chladící kanál
b.)
Teplotní stupnice [oC]
150,00
150,00
117,82
92,48
117,82
69,27
69,27
54,89
42,33
35,74
30,00
54,89
42,33
výstřik
Obr. 7: Rozložení teplotního pole ve vstřikovací formě v čase t=25 s, při Ttm=30oC
a.) při temperaci bez Cu desky, b.) při temperaci s 2x2mm Cu deskou
92,48
35,74
30,00
Do výpočtu, který byl proveden po dobu jednoho cyklu (60s) s krokem 1s, byly zadány počáteční a okrajové podmínky (To, Ttm, Ttav), včetně materiálových vlastností pro použitý materiál PP-Hostacom M2 R03.
Tab. 2.: Porovnání zjištěných teplot v měřených místech vstřikovací formy při Ttm=30oC a 60oC v čase t=25s,
mezi experimentálním měřením a simulací teplotních polí
t=25s
Ttm=30oC
místo
simulace
měření experiment
[oC]
[oC]
temperace bez Cu desky
č.1
31,8
39,1
č.2
31,3
37,2
č.3
31,4
35,9
temperace s 2mm Cu deskou
č.1
36,9
42,4
č.2
36,9
39,0
č.3
35,1
37,0
temperace s 2x2mm Cu deskou
č.1
34,8
43,2
č.2
35,2
39,5
č.3
34,4
37,6
rozdíl
[%]
experiment
[oC]
Ttm=60oC
simulace
[oC]
18,7
15,9
12,5
49,8
49,1
49,0
73,1
69,3
38,0
31,9
29,2
27,9
13,0
5,4
5,1
52,4
52,2
51,7
77,5
73,2
70,7
32,4
28,7
26,9
19,4
10,9
8,5
50,7
50,0
50,5
76,9
73,4
71,1
34,1
31,9
29,0
rozdíl
[%]
V tabulce 2 je provedeno srovnání s experimentálně zjištěnými hodnotami při obou teplotách temperačního média a různých způsobech temperace v časovém okamžiku cyklu t=25s.
Tabulka vyjadřuje také procentuální rozdíly mezi těmito dvěma metodami. Stejné grafické
srovnání je ukázáno na obr.8.
experiment
simulace
a.)
b.)
45
80
40
70
60
teplota T [ C]
30
o
o
teplota T [ C]
35
rozdíl %
25
20
15
50
40
30
10
20
5
10
0
0
1
2
I.
3
1
2
3
1
II.
místo měření, způsob temperace
2
III.
3
1
2
I.
3
1
2
3
1
II.
2
3
III.
místo měření, způsob temperace
Obr. 8: Grafické porovnání nasimulovaných a experimentálně zjištěných teplot s vyjádřením procentuálního rozdílu pro jednotlivá místa
měření a způsoby temperace v čase t=25s, a.) při Ttm=30oC, b.) při Ttm=60oC
I.) temperace bez Cu desky, II.) temperace s 2mm Cu deskou, III.) temperace s 2x2mm Cu deskou
3.3 Porovnání mechanických vlastností
Mezi zkušebními tělesy vyrobenými „klasicky“, tedy bez použití vysoce tepelně vodivého
materiálu ve vstřikovací formě a zkušebními tělesy vyrobenými při použití takovéhoto materiálu ve formě bylo provedeno vzájemné porovnání mechanických vlastností zjištěných
zkouškou tahem dle DIN 53 455 a zkouškou vrubové houževnatosti dle ČSN EN ISO 179.
Rozdíl mezi středními hodnotami naTab.3: Mechanické vlastnosti zkušebních těles dle podmínek temperace
pětí na mezi kluzu σS , které byly stanoTtm=30oC
veny pro dané vzorky dle způsobu temσS
a cA
podmínky temperace
perace ze zkoušky tahem, je nepatrný a
bez Cu desky
19,90 ± 0,51
42,36 ± 3,68
vzhledem k rozptylům vyjádřených směs 2mm Cu deskou
19,49 ± 0,36
44,09 ± 4,06
rodatnou odchylkou zanedbatelný (viz.
s2x2mm Cu deskou
19,20 ± 0,34
47,44 ± 1,59
tab.3). Obdobně i z výsledků zkoušky
Ttm=60oC
vrubové houževnatosti, která byla provebez Cu desky
19,91 ± 0,33
39,68 ± 2,39
dena metodou ISO 179/1eA, lze vzhles 2mm Cu deskou
19,81 ± 0,56
46,10 ± 2,85
dem k rozptylům středních hodnot vrus2x2mm Cu deskou
19,62 ± 0,33
46,57 ± 2,50
bové houževnatosti taktéž vyjádřených
směrodatnou odchylkou říci, že umístění měděných desek v nástroji nemá na velikost vrubové
houževnatosti téměř žádný vliv (viz. tab.3). Při Ttm=60oC je sice zaznamenáno nepatrné zvýšení hodnot vrubové houževnatosti v závislosti na způsobu temperace, ale pro zcela korektní
posouzení a zpřesnění statisticky stanovených hodnot by bylo vhodnější provést měření u více
zkušebních vzorků, než bylo provedeno.
4. ZÁVĚR
Při hodnocení provedených ukázek je patrné, že teploty ve vybraných místech vstřikovací
formy zjištěné simulací se od teplot naměřených experimentálně liší, dle velikosti teploty
temperačního média, max. o 34,1%. Takovéto rozdíly mohou být pro někoho příliš vysoké,
pro jiného naopak přijatelné. Ze zkušeností v technické praxi lze tento rozdíl hodnot však považovat za přijatelný. Možné příčiny vyšších teplot ze simulací mohou vycházet např.:
• z nestejnoměrnosti počátečních a okrajových podmínek při simulaci daného problému
vzhledem ke skutečným podmínkám,
• z nestejnoměrnosti zadaných dat pro materiál formy a temperační médium,
• z nepřesnosti zadání středních hodnot materiálových vlastností, tepelných a teplotních koeficientů, které jsou ve skutečnosti závislé na teplotě a ještě se mění s časem,
• z vlivu koroze temperačních kanálů během provozu vstřikovací formy, která snižuje součinitel přestupu tepla mezi temperačním médiem a materiálem formy.
Je třeba si však uvědomit, že simulační programy nám poskytují představu o probíhajících
procesech v průběhu vstřikování již při samotném návrhu temperačního systému a celý problém je potom snadněji optimalizovatelný. Výsledky simulace potvrdily experimentální měření, kde je patrné, že použitím měděné desky ve vstřikovací formě došlo k zvýšení odvodu
tepla z tvarové dutiny formy a změnou její tloušťky bylo teplo rozvedeno rovnoměrně po celé
šířce vstřikovací formy.
Úplným závěrem lze říci, že použití měděných desek v nástroji bude mít následující výhody:
• rovnoměrně zvýšený odvod tepla z tvarové dutiny vstřikovací formy, přičemž rovnoměrnost
bude větší s rostoucí tloušťkou měděných desek,
• vyrovnání teplot v celém objemu výrobku ve stejném čase,
• lepší zatečení taveniny v „zadních“ místech výstřiku bez místních studených spojů,
• zmenšení rozdílu teplot ve vstřikovací formě, zejména při nižší teplotě temperačního média,
• mechanické vlastnosti zjištěné ze zkoušky tahem a rázové houževnatosti nebudou nikterak
výrazně ovlivněny.
5. POUŽITÁ LITERATURA
/1./ BĚHÁLEK, L.: Možnosti zvýšení odvodu tepla z tvarové dutiny vstřikovací formy pomocí
vysoce vodivých materiálů [diplomová práce], TU v Liberci, 2001
/2./ ŠAFAŘÍK, M.: Nástroje pro tváření kovů a plastů, cvičení [skriptum], VŠST Liberec,
1991
/3./ SWENSON, P. – LADWIG, H.: Wärmeleitrohre in Heißkanalsystemen, Kunststoffe, 82,
1992, s. 1157-1160
/4./ LONTECH, PARDUBICE: Vortex Tubes – prospektový materiál
/5./ Chlazení vstřikovacích forem kapalným CO2, Plasty a kaučuk, 35, 1998, č.12, s. 380-381
Informace o autorech:
Ing. Luboš BĚHÁLEK
Narozen v roce 1977 v Duchcově, absolvent TU v Liberci (2001). V akademickém
roce 1998/99 delegován na zahraniční studium – Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel, Německo. Od r. 2001 je studentem v prezenční formě postgraduálního doktorského studia na katedře strojírenské technologie, oddělení tváření
kovů a plastů, v oboru strojírenské technologie se zaměřením na zpracování plastů.
Doc.Dr.Ing. Petr LENFELD
Narozen v roce 1967 v Hradci Králové, absolvent VŠST v Liberci (1989). Do roku
1992 pracoval jako technolog vstřikovny plastů ve s.p. Tesla Liberec. Od r. 1992
působil na TU v Liberci, katedře tváření a plastů jako odborný asistent, posléze byl
pověřen jejím vedením. V r. 1997 obhájil na TU v Liberci disertační práci, v r. 2000
práci habilitační a v r. 2001 byl jmenován docentem v oboru strojírenské technologie. Od r. 2000, po organizačních změnách na fakultě strojní, působí na TU v Liberci
jako vedoucí oddělení tváření kovů a plastů, katedry strojírenské technologie.
Publikováno
v kategorii „články původní a přehledné“ v časopisu
Plasty a kaučuk, ročník 39-2002, č.7, str. 196-199,
ISSN 0322-7340