Optymalizacja jakości produktów dzięki zastosowaniu chłodzenia konformalnego

Spojrzenie na dwa przypadki obrazujące znaczenie oprogramowania CAE w procesie projektowania narzędzi

Wydruki 3D i szybkie prototypowanie (RP) nie są nowymi pojęciami w świecie przemysłu. Z nowymi i bardziej przystępnymi cenowo drukarkami 3D samodzielne wytwarzanie detali nie jest już marzeniem. Jednakże, dla większości produktów, wytwarzanie tradycyjną metodą wtrysku jest wciąż koniecznością. Idea szybkiego prototypowania była wykorzystywana do projektowania chłodzenia konformalnego już od niemal dwóch dekad. Laserowe spiekanie proszków metali umożliwia wytwarzanie właściwie dowolnego kształtu kanałów chłodzących co pozwala znacząco obniżyć czas cyklu produkcyjnego i zwiększyć jakość końcowych detali.

Problemy

Oprócz laserowego spiekania metali są jeszcze 2 inne metody wytwarzania wstawek z chłodzeniem konformalnym, jak np. lutowanie próżniowe i obróbka cnc. Spośród nich, spiekanie laserowe jest najbardziej kosztowną technologią, ale daje jednak największą swobodę projektową. Dodatkowymi problemami jakie można napotkać podczas wytwarzania wstawek tą metodą może być np. ryzyko wygięcia się wstawki (na skutek dużej energii przekazywanej przez diodę laserową) oraz duża chropowatość kanałów skutkująca ich większą skłonnością do „zapychania się”. Inne ograniczenia, jak np. dokładność wymiarowa, czy możliwość spiekania jedynie niektórych materiałów, zostały w ostatnich latach w większości pokonane, co sprawiło, że laserowe spiekanie proszków metali stało się bardziej dostępne i popularne.

Wady detali

Dzięki zmianie kształtu kanałów chłodzących, tak by wierniej odwzorowały one rzeczywisty kontur detalu, możliwe jest uzyskanie bardzo równomiernego rozkładu temperatur w formie. Pozwala to zminimalizować ryzyko powstawania na detalach wad wywołanych właśnie przez zbyt wysoką temperaturę niektórych powierzchni formujących (wypaczenia, wciągi, naprężenia resztkowe). Wady wyprasek bardzo często wynikają z ich kształtu. Dla przykładu: jeżeli detal posiada żebra, jest bardzo prawdopodobne, że na ścianie naprzeciwko nich pojawią się wciągi. Jeżeli obszar ten zostanie schłodzony zbyt szybko, wewnątrz ścianki mogą pojawić się pory. Mimo złożoności problemu wad wyprasek, można stwierdzić, że chłodzenie konformalne pozwala znacząco zminimalizować całkowite deformacje (oczywiście o ile zostało ono prawidłowe zaprojektowane). W artykule przedstawione zostaną 2 przypadki najczęstszych wad: wciągów oraz deformacji, a także informacje jak chłodzenie konformalne może im zapobiegać.

Czy potrzebuję chłodzenia konformalnego?

Większość rozumie, że chłodzenie konformalne oferuje wiele zalet. Ze względu na wysoki koszt, nie zyskało ono ogromnej popularności w przemyśle. Jednym z najczęściej zadawanych pytań jest: „czy ja naprawdę potrzebuję chłodzenia konformalnego?”. Oczywiście, zawsze należy zastanowić się jaki zysk możemy uzyskać inwestując w taki system chłodzenia. Ogólne mówiąc, dwa rodzaje produktów są szczególnie odpowiednie do stosowania chłodzenia konformalnego: detale w kształcie pudełek/kubeczków oraz takie o bardzo skomplikowanych kształtach (z dużymi krzywiznami). Inną, bardzo istotną sprawą jest grubość detalu. Jako że tworzywo jest bardzo złym przewodnikiem ciepła to, jeżeli ścianki części są zbyt grube, zyski wynikające ze skrócenia czasu cyklu mogą nie skompensować kosztów wytworzenia wstawki chłodzącej z chłodzeniem konformalnym. Jak bardzo jesteśmy w stanie zmniejszyć deformacje detalu przy zastosowaniu chłodzenia konformalnego? Powinniśmy znać odpowiedź na to pytanie jeszcze przed wykonaniem gotowej formy, czy jest to możliwe? Odpowiednią metodą wydaje się wykorzystanie oprogramowania CAE do symulacji wtrysku.

Wciągi

Pierwszym przykładem będzie obudowa wiertarki. Średnia grubość ścianki detalu to 3mm. Kształt części jest idealny do zastosowania chłodzenia konformalnego. W zaznaczonym na czerwono obszarze mogą występować wciągi jeżeli czas chłodzenia będzie nieodpowiedni (Ilustracja 1 i 2). W przypadku zastosowania kanałów z przegrodą, potrzeba ok 30 sekund, aby uniknąć wciągów na widocznej powierzchni obudowy (ilustracja 3). Przy zastosowaniu kanałów konformalnych, czas ten można zredukować do 20s (ilustracja 4).

Ilustracja 1 i 2 Zaznaczone na czerwono obszary wskazują na miejsca zagrożone występowaniem wciągów

Ilustracja 3 Kształt kanałów chłodzących przy wykorzystaniu kanałów z przegrodami.

Ilustracja 4 Kształt kanałów chłodzących przy zastosowaniu rozwiązania chłodzenia konformalnego.

Poprzez symulację, efekt chłodzenia konformalnego może być łatwo zidentyfikowany.Ilustracja 5 pokazuje porównanie rozkładu temperatury pomiędzy tradycyjnym układem chłodzenia wykorzystującym przegrody oraz chłodzeniem konformalnym. Temperatura strony stemplowej przy wykorzystaniu chłodzenia konformalnego jest zdecydowanie niższa niż ta uzyskana w przypadku tradycyjnego chłodzenia. Położenie maksymalnych wciągów (ilustracja 6) uzyskane z symulacji idealnie pokrywa się z rzeczywistym detalem.

Ilustracja 5 Porównanie rozkładu temperatury dla chłodzenia tradycyjnego wykorzystującego kanały z przegrodami (po lewo) oraz dla chłodzenia konformalnego (po prawo)

Ilustracja 6 Wyniki symulacji przeprowadzonej w programie Moldex3D wskazuje lokalizację maksymalnych wciągów co idealnie pokrywa się z rzeczywistym detalem.

Deformacje

Drugim przykładem jest obudowa aparatu cyfrowego (Ilustracja 7). Produkt ten ma bardzo poważny problem z deformacjami, jeżeli stosuje się jedynie tradycyjne przegrody do chłodzenia go od strony stemplowej (ilustracja 8). Po wprowadzeniu dodatkowych kanałów konformalnych (Ilustracja 9), udało się znacząco zminimalizować powstające deformacje (Ilustracja 10).

Ilustracja 7 Obudowa aparatu cyfrowego

Ilustracja 8 Kształt kanałów chłodzących wykorzystujących tradycyjne przegrody

Ilustracja 9 Zastosowanie kanałów konformalnych pozwala zminimalizować deformacje oraz skrócić czas chłodzenia o 30 procent (z 13 do 3 sekund).

Ilustracja 10 Znacząca redukcja deformacjiy

Podsumowanie

Chłodzenie konformalne ma dwie główne zalety : (1) skraca czas cyklu oraz (2) poprawia jakość detalu. Laserowe spiekanie proszków metali jest najczęściej stosowaną metodą to wytwarzania wstawek z chłodzeniem konformalnym. Aby lepiej przewidywać możliwe zyski wynikające ze stosowania chłodzenia konformalnego, wymagane jest stosowanie oprogramowania do symulacji wtrysku. Przedstawione 2 rzeczywiste przykłady zastosowania chłodzenia konformalnego pokazują jego pozytywny wpływ na jakość detalu (minimalizacja deformacji i wciągów) oraz skrócenie czas cyklu. Jak pokazano to wcześniej, oprogramowanie do symulacji wtrysku pozwala dokładnie przewidywać te zjawiska i ułatwia podjęcie decyzji, czy stosowanie chłodzenia konformalnego jest opłacalne do określonego detalu.

Podziękowanie

Chcielibyśmy podziękować OPM Laboratory Co., Ltd. Japan za podzielenie się z nami swoimi doświadczeniami i udostępnienie nam dokładnych danych, które pozwoliły nam na przedstawienie Państwu obu studiów przypadku.