dr inż. Przemysław Postawa Chłodzenie konformalne form wtryskowych Całkowity czas procesu wtryskiwania jest w większości zależny od długości trwania fazy ochładzania wypraski w formie. Czas ten jest konieczny do uzyskania przez wtryśnięty do formy płynny materiał polimerowy wystarczającej sztywności, umożliwiającej jego bezpieczne usunięcie oraz struktury gwarantującej uzyskanie założonych właściwości wytrzymałościowych i użytkowych. Efektywne chłodzenie formy wtryskowej jest bardzo ważne, ponieważ nie tylko wpływa na czas trwania cyklu, ale również na jakość produkowanych wyprasek wtryskowych. Tradycyjne kanały chłodzące są zwykle wykonywane, jako proste otwory wiercone w bloku formy, co powoduje ograniczenia geometryczne w ich kształcie i przebiegu, a tym samym w przepływie cieczy chłodzącej i odbiorze ciepła w poszczególnych jej obszarach. W artykule przedstawiono nowoczesne metody wytwarzania form wtryskowych z wykorzystaniem tak zwanych technik przyrostowych bezpośredniego topienia proszków metalu promieniem lasera. Metody termostatownia form wtryskowych Metoda termostatowania formy wtryskowej oraz wykorzystany w niej osprzęt i urządzenia są związane z: rodzajem przetwarzanego tworzywa (termoplastyczne, termoutwardzalne); strukturą morfologiczną tworzywa (częściowo krystaliczne lub bezpostaciowe); wielkością formowanego detalu oraz liczbą gniazd formy (co jest związane z wielkością narzędzia i systemem termostatowania); wymaganiami stawianymi wyrobowi gotowemu. W przypadku tworzyw termoutwardzalnych formę należy ogrzewać do temperatury umożliwiającej proces sieciowania, dzięki którym materiał staje się sztywny. Tworzywa termoplastyczne ze względu na swoją odmienną budowę i zachowanie się w podwyższonej temperaturze wtryskuje się do formy o temperaturze znacznie niższej od temperatury wtrysku [6, 7] (wyjątek stanowi technologia heat-cool). Ważne jest również rodzaj przetwarzanego tworzywa, jego budowa morfologiczna (częściowo krystaliczna lub bezpostaciowa) wielkość detalu oraz liczba gniazd zastosowanych w narzędziu. Kolejne kryterium związane jest z wymaganiami stawianymi gotowemu wyrobowi i dotyczy wymiarów oraz ich tolerancji, powtarzalności cyklu, deformacji postaciowej oraz w wielu przypadkach wysokiej estetyki powierzchni wyrobu. Wszystkie wspomniane czynniki determinują projekt oraz wykonanie narzędzia, jakim jest forma wtryskowa i dobór urządzeń do jej termostatowania. Układy termostatowania form W skład układu termostatowania formy wchodzą następujące elementy i podzespoły: układ termostatowania formy wtryskowej (kanały chłodzące lub grzewcze wykonane w formie wtryskowej); zewnętrzne urządzenie grzewcze lub chłodzące dostarczające medium termostatujące do formy wtryskowej. Zadaniem urządzeń termostatujących jest odpowiednie przygotowanie cieczy termostatującej (podgrzanie do zadanej temperatury), a następnie przetransportowanie jej poprzez przewody ciśnieniowe do formy wtryskowej, gdzie za pomocą systemów kanałów chłodzących następuje wymiana ciepła pomiędzy formą rozgrzewaną przez płynne tworzywo a cieczą [1 4]. Przy czym efektywność wymiany ciepła jest uzależniona od następujących czynników: 1
wielkości formy (jej pojemności cieplnej); różnicy temperatury formy i wtryskiwanego tworzywa; materiału, z jakiego jest wykonana forma (przewodnictwo cieplne); budowy układu chłodzącego (rozmieszczenie kanałów, ich przekroje oraz długość); typu zastosowanego medium termostatującego; wydajności urządzenia termostatującego. Z powyższych względów duże formy wtryskowe wykonuje się w postaci wkładek formujących odizolowanych od części konstrukcyjnej formy z pomocą przekładek zmniejszających wymianę ciepła (straty) do części formy nie biorącej udziału w bezpośrednim formowaniu detalu. Wkładki wykonuje się z materiałów o dużym współczynniku przewodnictwa cieplnego. Interesujący artykuł poświęcony urządzeniom termostatującym ukazał się w nr 3 z 2011 r. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle [5]. Kolejnym bardzo ważnym elementem formy jest system kanałów, którymi przepływa medium termostatujące. Powinny one być umieszczone możliwie blisko powierzchni, a ich układ powinien zapewniać szybką wymianę ciepła. Ich przekrój powinien wahać się od 4 do 10 mm przy czym jest to uzależnione między innymi od odległości od sąsiadujących kanałów i wielkości formy, a tym samym ilości ciepła koniecznego do odebrania lub dostarczenia do lub od formy podczas procesu technologicznego. Rozwiązania konstrukcyjne układów chłodzenia form wtryskowych Największe kłopoty związane z zapewnieniem zadanej temperatury występują przy formach z ruchomymi rdzeniami oraz długimi częściami stemplowymi, ponieważ bardzo trudno zapewnić w tych elementach odpowiedni przepływ medium, co w połączeniu z małą pojemnością cieplną powoduje bardzo szybkie nagrzewanie się do temperatury uniemożliwiającej często poprawne wyformowanie wypraski. Stosuje się wtedy wiele zabiegów konstrukcyjnych mających na celu zintensyfikowanie przepływu w celu odbioru ciepła (rys. 1). Dla części stemplowych o dużych rozmiarach stosuje się rdzenie ze spiralnym nacięciem (toczonym lub frezowanym) zwiększające powierzchnię wymiany ciepła pomiędzy wypraską, a cieczą termostatującą (rys. 2). Istnieje jednak wiele rozwiązań konstrukcyjnych form wtryskowych, w których kształt gniazda (gniazd) układ wypychaczy lub innych elementów funkcjonalnych formy uniemożliwia poprowadzenie w sposób prawidłowy kanałów chłodzących. Obsługa takich form jest bardzo trudna i wymaga stosowania innych zabiegów, które w pośredni sposób są w stanie schłodzić poszczególne jej obszary (nadmuch zimnego powietrza przez dyszę w fazie wyformowania wypraski lub natrysk zimnej wody). Należy pamiętać, że są to metody, które tylko połowicznie rozwiązują problem, ponieważ znacząco wydłużają czas cyklu i nie pozwalają na powtarzalność procesu. W takich przypadkach zasadne staje się wytwarzanie elementów form, gniazd (wkładek) lub części suwaków, z wykorzystaniem tak zwanych technologii przyrostowych, umożliwiających wytwarzanie kanałów termostatujących w dowolnych przekrojach i dowolnych kształtach. c) Rys. 1.Zastosowanie różnych rozwiązań konstrukcyjnych przy chłodzeniu elementów formy typu rdzeń: a) przegroda; b) opływanie; c) z wykorzystaniem ciepłowodów 2
Rys. 2. Przykłady różnych odmian systemów chłodzenia części stemplowych form Metody przyrostowe w wytwarzaniu elementów form wtryskowych Metody przyrostowe swoją genezę wywodzą z metod szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping), w których to chodzi o szybkie wytwarzanie bardzo skomplikowanych kształtów detali z dużą dokładnością, w bardzo krótkim czasie. Obecnie czas wdrażania nowych projektów do produkcji wielkoseryjnej jest bardzo krótki, a ograniczeniami są tylko technologie wytwarzania prototypów oraz narzędzi [6]. W dążeniu do skrócenia tego czasu, niejako naturalnym następstwem szybkiego prototypowania jest ciągły rozwój metod szybkiego wytwarzania narzędzi RT (Rapie Tooling). Zastosowanie i rozwój tych metod pozwala na bardzo szybkie i elastyczne reagowanie na potrzeby i wymagania odbiorców swoich wyrobów (zmiana kształtu narzędzi), a ponadto pozwala uzyskiwać wymierne korzyści wynikające ze skrócenia czasu produkcji zmniejszenia kosztów [7 9]. Jedną z odmian RT (Rapid Tooling) są metody przyrostowe wytwarzania narzędzi. A jedną z aplikacji jest wytwarzanie wkładek form wtryskowych o dowolnym układzie kanałów termostatujących, co do przekroju poprzecznego i przebiegu wewnątrz formy. Daje to nieograniczone możliwości w projektowaniu i wytwarzaniu układów chłodzenia dostosowanych do kształtu formowanego wytworu, dając jednocześnie w niektórych przypadkach skrócenie czasu ochłodzenia a tym samym i czasu cyklu nawet o 40% [10 11]. Rys. 3. Kształt kanału chłodzącego formy wtryskowej: a) tradycyjny, b) wytworzony w oparciu o metody przyrostowe 3
Metody przyrostowe w wytwarzaniu narzędzi do przetwórstwa polegają na spiekaniu lub całkowitym przetapianiu proszków metali za pomocą wiązki światła lasera. W pierwszym przypadku konieczna jest dodatkowa operacja infiltrowania miedzią bądź brązem, ponieważ otrzymana struktura jest porowata. Natomiast technologia przetapiania nie wymaga dodatkowych zabiegów technologicznych poza finalną obróbką powierzchni (HSM, EDM, polerowanie, fakturowanie), ponieważ przetopieniu ulega 99,9% proszku metalu. Narzędzie budowane jest warstwa po warstwie, a promień lasera topi tylko te obszary, które mają zostać połączone z wcześniej nałożoną warstwą. Istnieje możliwość dowolnego prowadzenia kanałów, które teraz mogą przebiegać w równej odległości od powierzchni formy, dając możliwość równomiernej stabilizacji temperatury formy. Na rysunku 3a przedstawiono przekrój przez formę wtryskową, w której zastosowano tradycyjny kanał chłodzących w postaci wierconych, połączonych otworów. Tak wykonany kanał chłodzący jest połączeniem kilku bądź kilkunastu otworów. Przepływ w takim kanale ma charakter turbulentny, co powoduje duże opory przepływu, a tym samym duże spadki ciśnienia na drodze przepływu medium termostatującego. Widoczne jest również, że w każdym miejscu formy odległość kanału chłodzącego od powierzchni gniazda formy jest inna, co przyczynia się do nierównomiernego odbioru ciepła z poszczególnych powierzchni, a tym samym do zróżnicowanego pola temperatury powierzchni gniazda formy. Różna temperatura poszczególnych obszarów formy powoduje uzyskanie różnej struktury wypraski i różnych jej właściwości (krystaliczność, połysk itp.). Przedstawiony na rysunku 3b układ termostatowania jest pozbawiony tych niedoskonałości, a jego efektywność i dokładność termostatowania jest znacząco korzystniejsza z punktu widzenia jakości wypraski. Podstawy procesu Pierwszym etapem budowania formy metodami przyrostowymi jest stworzenie przestrzennego modelu (1) w dowolnym środowisku CAD (rys. 4a). Następnie tak przygotowany model jest obrabiany przez oprogramowanie maszyny drukującej. Bryła zamieniana jest na dwuwymiarowe obrazy odpowiadające poszczególnym warstwom. Tak przygotowane dane przesyłane są do maszyny, która następnie z magazynu proszku M przenosi na stół roboczy S pojedynczą warstwę proszku metalowego (2). Naniesiona warstwa proszku jest następnie topiona za pomocą lasera drukującego (3). Informacja o tym, które obszary w poszczególnych warstwach mają być stopione pochodzą z wcześniejszej obróbki trójwymiarowej (przestrzennej) bryły. Po przetopieniu warstwy stół S obniża się i nakładana jest kolejna warstwa proszku, po czym cała operacja się powtarza (4). Rys. 4. Etapy wytwarzania form wtryskowych metodami przyrostowymi DLMS (Direct Metal Laser Sintering) opis w tekście 4
Drukowanie z wykorzystaniem tej technologii jest uzależnione od wielkości, grubości warstwy, dokładności i użytego materiału, a trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin. Opisywana technologia umożliwia przetwarzanie proszków różnych metali od odmian stali narzędziowych poprzez brąz, mosiądz a na tytanie skończywszy. Zastosowanie obróbki cieplnej po procesie drukowania powoduje usunięcie naprężeń własnych, a dodatkowe hartowanie daje możliwość uzyskania twardości na poziomie 50-54 HRC. Rys. 5 Przekrój przez część roboczą urządzenia DLMS Część robocza urządzenia składa się ze stołu roboczego (rys. 5), na którym umieszcza się platformę startową, na której będzie budowana zasadnicza część rdzenia, wkładki, czy małej formy. Następnie układ pomiarowy wyznacza odległość do platformy startowej i zasypuje proszkiem metalu całą komorę roboczą, aż do wysokości platformy startowej, po czym promień lasera kierowany poprzez ruchome zwierciadło stapia cząsteczki proszku (rys. 6b) metalu w miejscach, które mają pozostać lite. Pozostałe obszary pozostają niespojone. Na rysunku 6a przedstawiono widok komory roboczej podczas spiekania kolejnej warstwy próbki do badań wytrzymałości na rozciąganie. W zależności od założonej dokładności i ziarnistości stosowanego proszku metalu, można uzyskać chropowatość na różnym poziomie. Rys. 6. Proces bezpośredniego spiekania laserowego metalu: a) widok komory podczas pracy, b) powiększenie proszku stali 1.2709 (Maraging Steel MS1) 5
Po procesie spiekania powierzchnia ma charakterystyczną strukturę (rys. 7a) i ostre krawędzie, co jest spowodowane koncentracją naprężeń cieplnych na brzegach formowanego detalu. Jednak w niektórych zastosowaniach jakość powierzchni i dokładność wymiarowa pozwala na bezpośrednie wykorzystanie wytworzonego narzędzia do produkcji. W przypadku wkładek do form wtryskowych zwykle zakłada się naddatek technologiczny (około 0,5 mm na każdą stronę), który następnie usuwa się w procesach obróbki ubytkowej (wiercenie, frezowanie HSM, elektrodrążenie EDM itp.). Po dokładnym ustaleniu wymiaru można jeszcze powierzchnię poddawać pozostałym metodom obróbki jak: polerowanie (rys. 7b), fakturowanie fotochemiczne, trawienie itp. Rys. 7. Przedmiot wykonany metodą DLMS: a) bezpośrednio po procesie wytwarzania, b) po obróbce wykańczającej polerowanie). Przykłady zastosowań Dzięki zupełnie nowemu procesowi wytwarzania form wtryskowych lub ich części zmieniło się podejście do konstruowania i ograniczeń, co do stosowania i wykonania układów termostatowania form wtryskowych. Zastosowanie technologii przyrostowych oprócz zasadniczego skrócenia czasu cyklu (nawet o 40%) poprzez możliwość bardziej intensywnego ochładzania, daje szereg innych możliwości: skrócenie czasu chłodzenia wyprasek wtryskowych poprzez zastosowanie równoodalonych od powierzchni formy kanałów chłodzących; zapewnienie małego gradientu temperatury na powierzchni narzędzia podczas przetwórstwa; chłodzenie części suwaków lub rdzeni, gdzie poprowadzenie tradycyjnych kanałów jest niemożliwe; lokalne chłodzenie obszarów wyprasek w celu zmiany właściwości (stopień krystaliczności, skurcz itp.); chłodzenie newralgicznych obszarów dysz gorącokanałowych; chłodzenie skomplikowanych elementów formujących form wtryskowych; selektywny odbiór strumienia ciepła z poszczególnych obszarów wypraski, a tym samym możliwość wytworzenia gradientu struktury (materiały gradientowe); zmniejszenie deformacji wyprasek poprzez równomierny odbiór ciepła. Chłodzenie stref dyszy gorącokanałowej. Podczas wtryskiwania tworzyw z wykorzystaniem układów gorącokanałowych następuje podczas przepływu tworzywa w dyszy jego intensywne rozgrzewanie na skutek ścinania i dużych ilości ciepła generowanego (tarcie). Czasem pomimo odłączenia grzałek dyszy jej temperatura nadal rośnie. Rozwiązaniem miały być kanały chłodzące, które odbierałyby nadmiar ciepła. Jednak zastosowanie tradycyjnych wierconych daje bardzo nieefektywny odbiór ciepła, a sam obszar przewężki i tak pozostaje mocno przegrzany (rys. 8 a). Natomiast zastosowanie kanału konformalnego uzyskanego za pomocą metod przyrostowych budowania narzędzia pozwolił na bardzo intensywne wychłodzenie tego newralgicznego obszaru dyszy. Rys. 8. Dysza gorącokanałowa z chłodzeniem obszaru przewężki: a) tradycyjna, b) z kanałem konformalnym 6
Chłodzenie trudnodostępnych obszarów form wtryskowych Metoda przyrostowa przydatna jest wszędzie tam, gdzie bardzo trudno jest doprowadzić medium chłodzące (żebra) i przeprowadzić kanały chłodzące z powodu bardzo ciasnej zabudowy formy i dużej liczby elementów mocujących bądź ruchomych (rdzenie, suwaki) rys. 9 i 10. Rys. 9. Zastosowanie kanałów chłodzących konformalnych w złożonych wkładkach i formach Rys. 10. Elementy rdzeni i części stemplowych chłodzonych kanałami konformalnymi Technologia ta pozwala na pełną dowolność w prowadzeniu kanału oraz jego kształtu. Nie ma tu ograniczeń kształtu narzędzia, jak w przypadku obróbki ubytkowej, a zatem kanał chłodzący tak naprawdę może mieć kształt płaszczyzny chłodzącej, która poprzez duże pole powierzchni wymiany ciepła znacznie szybciej realizuje fazę ochładzania wypraski (rys. 11 i 12). Na rysunku 11a przedstawiono element wykonany w technologii przyrostowej. Wykonanie tu kanału chłodzącego z wykorzystaniem tradycyjnych technologii byłoby niemożliwe lub bardzo kosztowne. Zaprojektowany układ chłodzenia (rys. 11b) umożliwia bardzo intensywny odbiór ciepła. Ponadto należy zauważyć, że tylko górna część stempla (ciemnoszary kolor) jest wytwarzana technologią DMLS, dolna część wkładki jest przygotowana na tokarce. Na rysunku 11c przedstawiono przecięty kanał (płaszcz) chłodzący wkładki. c) Rys. 11. Przykład płaszcza chłodzącego 7
Rys. 12. Przykład płaszcza chłodzącego opartego na kanałach okrągłych. Na rysunku 13 przedstawiono tradycyjny kanał chłodzący jednego z suwaków formy i drugi, w którym zastosowano kanał konformalny. Pozwala on na równomierny odbiór ciepła, a tym samym sprzyja mniejszym naprężeniom własnym i późniejszym deformacjom i paczeniu się wypraski. Rys. 13. Przykłady kanałów chłodzących: tradycyjny i konformalny Aby przedstawić korzyści płynące z zastosowania metod wytwarzania form w oparciu o technologie przyrostowe, posłużę się rzeczywistym przykładem liczbowym. Produkowanym elementem była wypraska przedstawiona na rysunku 14, o masie 175 g i maksymalnej grubości ścianki 9 mm. Rys. 14. Przykład produkowanego elementu z PE- HD: a) widok detalu; b) widok części stemplowej z użebrowaniem Przy tak grubej ściance i mocnym użebrowaniu wewnątrz wypraski można się spodziewać długiego czasu chłodzenia. Czas cyklu z wykorzystaniem konwencjonalnego chłodzenia wynosił 78 s. Zastosowano technologię chłodzenia żeber Ampco core. Po zastosowaniu chłodzenia konfromalnego czas cyklu zmniejszył się do 62 s., co daje 20% oszczędności na jednym cyklu. Koszt wykonania formy był większy o 3200. Zwrot poniesionych kosztów nastąpił po 4 tygodniach! 8
Podsumowanie W technologii przetwórstwa tworzyw każdy element procesu technologicznego jest ważny, z punktu widzenia jakości i powtarzalności produkcji, jednak proces termostatowania formy wtryskowej i związane z nim urządzenia oraz układ kanałów w formie wydaje się być dominujący. Warunki ochładzania tworzywa w formie wpływają nie tylko na właściwości fizyczne, jakość i estetykę, ale przede wszystkim na cenę produktu finalnego, co nie pozostaje bez znaczenia na opłacalność produkcji i zyski dla firmy. W czasach bezwzględnej walki o utrzymanie opłacalności produkcji w krajach Europy w porównaniu z Chinami, każda nowa technologia powodująca skrócenie czasu wytwarzania elementów z tworzyw polimerowych przy zachowaniu założonej jakości jest bezcenna i bardzo szybko znajduje zastosowanie w szerokiej grupie wytwórców. Obserwując rozwój urządzeń i technik termostatowania narzędzi można zauważyć, że idzie on w dwóch kierunkach: ekstremalnego skrócenia czasu chłodzenia oraz uzyskania nowych właściwości wyprasek wtryskowych poprzez świadome i sterowalne wytworzenie odpowiedniego pola temperatury w poszczególnych częściach formy wtryskowej tak, aby lokalnie wpłynąć na strukturę (stopień krystaliczności). Celem tej publikacji jest zainteresowanie tą stosunkowo jeszcze nową metodą wytwarzania części form i zwrócenie uwagi na to, że zawsze konieczne jest dokonanie analizy ekonomicznej opłacalności takiego zabiegu konstrukcyjnego. Pamiętać należy również, że większości wytwarzanych form do ich prawidłowej pracy wystarczy w zupełności tradycyjny system termostatowania oparty na prostych wierconych kanałach. Literatura: [1] D.E. Dimla, M. Camilotto, F. Miani: Design and optimisation of conformal cooling channels in injection moulding tools, Journal of Materials Processing Technology 164 165 (2005) 1294 1300. [2] Y. Shiraishi, H. Norikane, N. Narazaki, T. Kikutami: Analysis of heat flux from molten polymers to molds In injection molding processes, International Polymer Processing, vol. VI, nr 4, Hanser Publ., Munich, 2001, s. 166-175. [3] L. Sridhar, K. Narh: The effect of temperature dependent thermal properties on process parameter prediction in injection molding, International Heat Mass Transfer, vol. 27, Elsevier Science, 2000, s. 325 332. [4] T. Sterzyński: Interpretacja własności przetwórczych tworzyw termoplastycznych jako czynnik determinujący właściwe prowadzenie procesu wtrysku, Praca zbiorowa pt. Wtrysk termoplastów, Wydawnictwo PAN-SIMP, s. 10, Rydzyna 1983. [5] Wysokiej klasy termoregulatory Tworzywa Sztuczne w Przemyśle, nr 3, 2011r. s. 15-17 [6] K.E. Oczoś: Rozwój kształtowania przyrostowego wyrobów. Mechanik, 80(2007)2, 65 73. [7] K.E. Oczoś: Intensywna ekspansja rapid-technologii. Mechanik, 80(2007)7, 539 545. [8] www.kopp-metallveredlung.ch [9] K.E. Oczoś: RAPID PROTOTYPING aktualne dokonania w zakresie rozwoju konstrukcji urządzeń i przetwarzanych tworzyw sztucznych. Mechanik, 79(2006)4, 247 261. [10] K.E. Oczoś: Nowe materiały w procesach kształtowania przyrostowego wyrobów. Mechanik, 80(2007)3, 125 130. [11] P. Park: Through the doors: Materialise. tct Magazine, 15 (2007)6, 24 25. dr inż. Przemysław Postawa Instytut Przetwórstwa Tworzyw i Zarządzania Produkcją Politechnika Częstochowska Al. Armii Krajowej 19C, 42-200 Częstochowa e-mail: postawa@ipp.pcz.pl 9