Qu'est-ce que les conduites de refroidissement ?
Lignes de refroidissement dans les applications de moules spéciaux
Je fais du moulage depuis maintenant 18 ans. J'ai passé la première décennie dans un atelier captif du Michigan à vendre des véhicules automobiles. Les huit dernières années ont été consultantes, principalement en électronique médicale et grand public. S’il y a une chose qui différencie les magasins qui gagnent de l’argent de ceux qui n’en gagnent pas, c’est le refroidissement. Pas les trucs fantaisistes que l’on lit dans les magazines spécialisés. Juste une disposition basique et réfléchie de la ligne de refroidissement.
La plupart des fournisseurs d'outils de moulage par injection vous diront que le refroidissement représente 60 -70 % de votre cycle. Ce chiffre circule dans l’industrie comme un évangile. Le chiffre réel dépend de l’épaisseur de la paroi, de la résine et d’une quinzaine d’autres variables. J'ai vu des moules d'emballage à paroi mince-où le refroidissement représentait 80 % du cycle. J'ai déjà utilisé un boîtier automobile à section épaisse où il était plus proche de 45 %. Le fait est que les pourcentages génériques ne vous aident pas beaucoup. Ce qui aide, c'est de comprendre le flux de chaleur dans votre pièce spécifique.
Un outillage de précision nécessite une gestion thermique précise.
La réalité Drill-et-Plug
Le refroidissement conventionnel est une perceuse-et-bouchon. Vous prenez votre bloc de moule, le placez sur le moulin ou la perceuse à pistolet et faites des trous droits. Connectez-les avec des forets cruciformes ou des tuyaux externes. Branchez les extrémités dont vous n'avez pas besoin. Cette méthode fonctionne. Ça marche depuis que mon père est dans ce métier. L'outillage est bon marché, n'importe quel magasin peut le faire, et quand quelque chose se bouche, vous pouvez le retirer.
Le problème apparaît lorsque la géométrie se complique. J'ai travaillé l'année dernière : -boîtier pour appareils électroniques grand public, beaucoup de courbes, paroi nominale de 1,2 mm avec des bossages descendant à 0,8 mm. Le designer industriel n’avait aucun intérêt pour ce que je pouvais réellement refroidir. Le côté noyau contenait peut-être 6 mm d'acier derrière la cavité dans trois zones différentes. Vous ne pouvez pas y mettre de canal de 10 mm. On ne peut pas non plus y mettre de canal de 6 mm, sans aucune marge de sécurité.
Ce que nous avons fini par faire, c'est une approche combinée. Des barboteurs dans les noyaux profonds, des chicanes là où nous avions assez de viande et un insert conforme dans le pire point chaud. La pièce conforme a ajouté 11 000 $ au coût de l'outil. Au début, le client ne voulait pas payer. Ensuite, nous leur avons montré la différence de temps de cycle
-14 secondes avec conforme contre 22 sans. Ils ont payé.
Refroidissement conforme-Quand cela a du sens
L’impression 3D métal a changé ce secteur. Il y a dix ans, le refroidissement conforme était une curiosité, quelque chose que l'on voyait lors d'un salon professionnel et qui pensait « c'est chouette ». Désormais, tous les grands fabricants de moules à injection personnalisés le proposent, ou devraient le proposer. La technologie a mûri. Les prix ont baissé. Les délais sont devenus raisonnables.
Les matériaux fonctionnent. J'ai utilisé des inserts en acier maraging MS1 au-delà de 400 000 tirs sans problème. Les impressions H13 s'améliorent, mais d'après mon expérience, la métallurgie des poudres n'est toujours pas tout à fait là pour les applications à forte usure-. Pour les noyaux et les inserts de cavité qui ne subissent pas d'impact direct sur la grille, l'acier imprimé résiste bien.
C'est là que les gens se trompent : ils pensent que le conformisme signifie que l'on peut tout refroidir. Vous ne pouvez pas. Les canaux ont encore besoin de flux. Je vois des dessins apparaître sur mon bureau avec ces magnifiques canaux de refroidissement organiques qui ressemblent à des vaisseaux sanguins. Très joli en CAO. Impossible de faire passer un écoulement turbulent. La chute de pression vous tue, ou le flux devient laminaire et vos réservoirs de transfert de chaleur.
Règle que j'utilise : gardez la section transversale de votre canal-au-dessus d'un diamètre équivalent de 5 mm, ne dépassez pas un rapport hauteur/largeur de 4 : 1 sur toute section non-circulaire et limitez la longueur totale de votre circuit à ce que votre TCU peut réellement pousser. La plupart des unités de contrôle de la température en atelier atteignent environ 4 à 5 bars. Votre circuit conforme, votre collecteur et vos tuyaux doivent fonctionner dans ce cadre.
Les chicanes et les barboteurs ont toujours leur place
Avant d'appeler votre fournisseur de solutions de refroidissement pour le moulage par injection au sujet d'un encart imprimé de 15 000 $, envisagez les options de la vieille école. Les chicanes coûtent peut-être 30 $ chacune. Barboteurs, 40-50 $. Les caloducs coûtent entre 150 et 400 $ selon la longueur et le diamètre.
Les déflecteurs fonctionnent très bien dans les noyaux rectangulaires. La lame plate divise le trou percé en alimentation et retour. L'eau descend d'un côté, contourne le fond et remonte de l'autre. Vous perdez une certaine capacité de flux -, chiffre 60 à 65 % de ce qu'un canal ouvert vous donnerait. Pour la plupart des applications, c'est suffisant.
Mode de défaillance commun
Le mode de défaillance que je vois le plus souvent avec les déflecteurs : les gars forent trop profondément, le déflecteur touche le fond, le débit est restreint à la pointe. Laissez un espace libre de 3 à 4 mm en bas. Plus encore si la qualité de votre eau est douteuse et que vous vous attendez à une accumulation de tartre.
Les barboteurs conviennent mieux aux noyaux ronds. La disposition tube-dans-tube vous offre plus de surface qu'un déflecteur dans un trou de même diamètre. L'inconvénient est qu'ils sont plus sensibles à la tolérance dimensionnelle. L'espace annulaire entre la chambre à air et le trou extérieur contrôle votre débit de retour. Trop serré et vous affamez le circuit. Trop lâche et toute votre eau court-circuite-à travers l'espace sans atteindre la pointe.
Choix de matériaux dont personne ne parle
Chaque brochure sur les services de fabrication de moules de précision mentionne le refroidissement conforme. Peu de gens parlent de sélection de matériaux pour les performances de refroidissement.
Les inserts BeCu existent depuis toujours. Conductivité thermique autour de 105 W/m·K contre 29 pour H13. C'est un gros chiffre. Dans un point chaud où il est physiquement impossible d'obtenir de l'eau suffisamment près, un insert en alliage de cuivre peut sauver le travail. Je les ai utilisés derrière de fines nervures, dans des corps de levage, dans de petits noyaux où un barboteur ne rentre pas.
Le problème, c'est l'usure. BeCu fonctionne peut-être à 35-38 HRC après traitement thermique. Vous n'allez pas y accéder directement. Vous n'allez pas y faire passer du nylon chargé de verre pendant un million de cycles. Mais dans les endroits protégés où il suffit d’extraire de la chaleur, cela fonctionne.
Les outils en aluminium sont sous-estimés pour la bonne application. Un client médical est venu me voir pour des prototypes de moules, des volumes attendus autour de 50 000 pièces par an, une durée de vie du produit de trois-ans. Les devis qu'ils avaient pour les outils P20 étaient fous -long délai de livraison, coût élevé, et ils seraient obsolètes avant d'être usés. Nous avons fabriqué les noyaux et les cavités en aluminium QC-10 pour environ 40 % du prix de l'acier. Les temps de cycle ont été de 12 secondes contre 18 à 20 secondes que nous avions estimés pour l'acier. Trois ans plus tard, ces outils fonctionnent toujours. Peu d'usure sur le plan de joint, rien qui n'altère la qualité de la pièce.
Le contrôle de la température devient compliqué
Les moules simples font fonctionner un circuit de refroidissement par moitié. De l’eau dedans, de l’eau dehors, c’est fait. Des moules spéciaux-et je mettrais la plupart de ce qui traverse mon bureau ces jours-ci dans cette catégorie-nécessite plusieurs zones.
Un consultant en ingénierie de moulage par injection avec lequel je travaille a un dicton : chaque point chaud a besoin de sa propre réponse. Parfois, cette réponse est plus fluide. Parfois, c'est de l'eau plus froide. Parfois, c'est un changement important. Parfois, il s’agit d’accepter un cycle plus long et de passer à autre chose. Le fait est que vous ne pouvez pas traiter un moule comme une seule masse thermique uniforme.
Le contrôle en cascade est utile. Votre TCU surveille la température du moule via un thermocouple et ajuste la position du débit ou de la vanne mélangeuse pour maintenir le point de consigne. Fonctionne bien en état stationnaire-. Cela n'aide pas beaucoup avec le transitoire-cette explosion de chaleur lorsque du plastique à 300 degrés frappe la cavité, puis le refroidissement progressif-, puis une autre explosion. La masse thermique de l’acier fait l’essentiel du travail de lissage.
Le variothermique est réel mais cher. Température de surface du moule élevée avant le remplissage, puis baisse rapide pour le refroidissement. Je l'ai vu éliminer les lignes de soudure sur des pièces très-brillantes. J'ai également vu cela ajouter 80 000 $ à un programme d'outils et six mois de temps de développement. Pour la bonne application -Intérieur automobile de classe A, dispositif médical avec une exigence cosmétique de zéro -défaut-, cela pourrait être possible. Pour la plupart des emplois, ce n’est pas le cas.
Ce qui compte vraiment
Après toutes ces années, voici ce que je dis aux jeunes ingénieurs : commencez par acquérir les bases. Gardez vos lignes de flottaison en 2D par rapport à la surface lorsque vous le pouvez. Courez suffisamment de débit pour rester turbulent. Ne laissez pas les circuits durer si longtemps que l'augmentation de la température vous tue - un delta maximum de 10 degrés de l'entrée à la sortie est une bonne cible. Équilibrez vos circuits pour qu’ils voient tous des restrictions similaires.
Faites ces choses et vous résoudrez 80 % de vos problèmes de refroidissement. Les 20 % restants sont ceux où se déroulent les travaux intéressants. C'est là que vous pourriez avoir besoin de conformité, de cuivre, ou de variothermie, ou d'une combinaison que personne n'a essayée auparavant.
Les outils existent. Les fournisseurs existent. La connaissance existe. Ce qui fait la différence, c'est de prendre le temps de réfléchir au flux de chaleur dans votre pièce spécifique, votre moule spécifique, votre processus spécifique. Aucune simulation ne remplace cela. Aucune règle empirique ne couvre tous les cas. Vous devez faire le travail.
Vingt-trois ans dans ce métier et j'apprends encore. C'est soit la meilleure partie, soit la pire, selon les jours.