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, pára části trubice. Zde pára kondenzuje odvedením latentního výparného tepla kondenzát do okolí. Vzniklý kondenzát se gravitačními nebo kapilárními silami vrací vypařování transport kondenzace zpět do výparné části a celý cyklus se 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 studený výstup (až -46 o C) Obr. 2: Princip činnosti vírové trubice stlačený vzduch (0,4 0,7 MPa, 21 o C) stacionární generátor řídící ventil horký výstup (až 100 o C) tepla. Vnitřní sloupec vzduchu nechá teplo vnějšímu a vystupuje studeným výfukem. Množství a teplota studeného nebo horkého vzduchu je řízena řídícím ventilem. Temperace kapalným CO 2 Jde o nový intenzivní způsob chlazení vstřikovacích forem, založený na odpařování kapalného CO 2 ve speciálních mikroporézních ocelových částech formy značky Toolvac. Kapalný CO 2 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 CO 2 je odveden vrtanými kanály. Plynný CO 2 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 2 3 1 a.) b.) Obr. 3: Vstřikovací forma s deskou z vysoce tepelně vodivého materiálu (Cu-99,95) a.) pohled zepředu tvarová dutina formy b.) pohled zezadu temperační kanál 1- deska pohyblivé části nástroje s tvarovou dutinou 2- deska pohyblivé části nástroje s temperačním kanálem 3- deska z vysoce tepelně vodivého materiálu 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. tiskárna termočlánky zapojené ve formě výstup dat sběrnice 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 vzdálenost a hloubka otvorů od bodu 0 v kartézském souřadném systému x,y,z x y z 1 90 mm 6 mm 45 mm 2 60 mm 6 mm 55 mm 3 20 mm 6 mm 105 mm Obr.5: Umístění měřících otvorů ve vstřikovací formě Poznámka: - stěna temperačního kanálu je od čela desky ve směru osy y ve vzdálenosti 10mm Experimentální měření bylo provedeno pro materiál polypropylen Hostacom M2 R03 při dvou teplotách temperačního média (T tm =30 o C a 60 o C). 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: T tav =230 o C, T tm =30 o C, resp. 60 o C, t c =60s (t ch =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).
teplota T [ o C] 56,0 53,0 50,0 47,0 44,0 41,0 38,0 35,0 32,0 29,0 26,0 23,0 20,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 čas t [s] T tm=60 o C průběh bez Cu desky průběh s Cu deskou 2mm průběh s Cu deskami 2x2mm T tm=30 o C průběh bez Cu desky průběh s Cu deskou 2mm průběh s Cu deskami 2x2mm Obr. 6: Průběhy závislosti teploty formy T na čase t v místě měření č.3, při T tm=30 o C a 60 o C 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 T tm =30 o C a způsobu temperace bez měděné desky, resp. s měděnými deskami. a.) Teplotní stupnice [ o C] b.) Teplotní stupnice [ o C] chladící kanál 150,00 117,82 92,48 69,27 54,89 42,33 35,74 30,00 150,00 117,82 92,48 69,27 54,89 42,33 35,74 30,00 výstřik Obr. 7: Rozložení teplotního pole ve vstřikovací formě v čase t=25 s, při T tm=30 o C a.) při temperaci bez Cu desky, b.) při temperaci s 2x2mm Cu deskou
Do výpočtu, který byl proveden po dobu jednoho cyklu (60s) s krokem 1s, byly zadány počáteční a okrajové podmínky (T o, T tm, T tav ), včetně materiálových vlastností pro použitý materiál PP-Hostacom M2 R03. Tab. 2.: Porovnání zjištěných teplot v měřených místech vstřikovací formy při T tm=30 o C a 60 o C v čase t=25s, mezi experimentálním měřením a simulací teplotních polí t=25s místo T tm =30 o C T tm =60 o C měření experiment simulace rozdíl experiment simulace rozdíl [ o C] [ o C] [%] [ o C] [ o C] [%] temperace bez Cu desky č.1 31,8 39,1 18,7 49,8 73,1 31,9 č.2 31,3 37,2 15,9 49,1 69,3 29,2 č.3 31,4 35,9 12,5 49,0 38,0 27,9 temperace s 2mm Cu deskou č.1 36,9 42,4 13,0 52,4 77,5 32,4 č.2 36,9 39,0 5,4 52,2 73,2 28,7 č.3 35,1 37,0 5,1 51,7 70,7 26,9 temperace s 2x2mm Cu deskou č.1 34,8 43,2 19,4 50,7 76,9 34,1 č.2 35,2 39,5 10,9 50,0 73,4 31,9 č.3 34,4 37,6 8,5 50,5 71,1 29,0 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. teplota T [ o C] a.) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 experiment simulace rozdíl % teplota T [ o C] b.) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3 I. II. III. místo měření, způsob temperace I. II. 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 T tm=30 o C, b.) při T tm=60 o C 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. Tab.3: Mechanické vlastnosti zkušebních těles dle podmínek temperace Rozdíl mezi středními hodnotami napětí na mezi kluzu σ, které byly stanoveny pro dané vzorky dle způsobu temperace ze zkoušky tahem, je nepatrný a vzhledem k rozptylům vyjádřených směrodatnou odchylkou zanedbatelný (viz. tab.3). Obdobně i z výsledků zkoušky vrubové houževnatosti, která byla provedena metodou ISO 179/1eA, lze vzhledem k rozptylům středních hodnot vrubové houževnatosti taktéž vyjádřených směrodatnou odchylkou říci, že umístění měděných desek v nástroji nemá na velikost vrubové houževnatosti téměř žádný vliv (viz. tab.3). Při T tm =60 o C 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 T tm =30 o C σ a ca podmínky temperace S bez Cu desky 19,90 ± 0,51 42,36 ± 3,68 s 2mm Cu deskou 19,49 ± 0,36 44,09 ± 4,06 s2x2mm Cu deskou 19,20 ± 0,34 47,44 ± 1,59 T tm =60 o C bez Cu desky 19,91 ± 0,33 39,68 ± 2,39 s 2mm Cu deskou 19,81 ± 0,56 46,10 ± 2,85 s2x2mm Cu deskou 19,62 ± 0,33 46,57 ± 2,50 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. S
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 CO 2, 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