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材料加工技術(shù)雜志187–188（2007）690–693
自適應(yīng)電動溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
注射成型的模具
Nardin, B. a, B. Zagar a, came, came, A. Glojek a, D. Kri, AJ BZ
TECOS、工具和模具開發(fā)中心的斯洛文尼亞,Kidriˇeva Cesta, 3000 Sloveniac Celje b教員的電氣工程,斯洛文尼亞盧布爾雅娜
摘要
在模具的開發(fā)和生產(chǎn)過程中有一基本問題就是是否能夠?qū)ψ⑺苣＞叩臏囟葪l件進(jìn)行控制。精確的研究在模具熱力學(xué)過程表明,換熱是可以操縱熱量的手段。這樣的系統(tǒng)升級傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在模具或可以是一個獨(dú)立的應(yīng)用程序內(nèi)部熱操作。
在本文中，作者將目前的研究項目的結(jié)果，這是在三個階段，其結(jié)果是在A686 \ 2006專利實施專利。測試階段，原型階段和產(chǎn)業(yè)化階段將出現(xiàn)。該項目的主要結(jié)果是總的和快速在周期時間和整體影響重點變形的塑料產(chǎn)品質(zhì)量在線的模具溫度調(diào)節(jié)控制。
提出了應(yīng)用程序可以提供一個里程碑，模具溫度和產(chǎn)品質(zhì)量控制的注射成型過程中的領(lǐng)域。?2006 Elsevier B.V.保留所有權(quán)利。
關(guān)鍵詞：注射成型；模具冷卻熱電模塊；數(shù)值模擬；
1.介紹，定義的問題
開發(fā)技術(shù)的冷卻模具通過熱電的(TEM)意味著推導(dǎo)的工業(yè)實踐和存在的問題,即在設(shè)計、工具制造和開發(fā)工具。目前的冷卻技術(shù)有技術(shù)的局限性。其局限性的位置及提前預(yù)測與有限元分析(FEA)仿真包但不是完全可以避免的。結(jié)果一個多元化國家的最先進(jìn)的分析顯示,所有現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)不提供可控的傳熱能力足以符合要求的工藝窗口當(dāng)前聚合物加工技術(shù)。
聚合物加工是當(dāng)今有限(在任期縮短生產(chǎn)周期時間內(nèi),降低成本)只與熱容操作功能。其他生產(chǎn)優(yōu)化功能已經(jīng)驅(qū)動機(jī)械和聚合物加工的局限性[3]。
1.1 熱過程中注塑塑料加工
塑料的處理是基于傳熱塑膠材料和模腔之間。在計算傳熱應(yīng)該考慮兩個主要事實:首先是所有能源使用基于熱力學(xué)定律的第一定律節(jié)能[1],第二是速度的傳熱。在傳熱分析的基本任務(wù)是隨時間和溫度計算其分布在研究系統(tǒng)。最后取決于速度之間的熱傳導(dǎo)的系統(tǒng)和環(huán)境和速度的傳熱系統(tǒng)內(nèi)部?；趥鳠峥梢宰鳛闊醾鲗?dǎo)、對流和輻射[1]。
1.2冷卻時間
完成注射模塑過程周期由模具閉合階段,注入融化成腔,包裝壓力相位補(bǔ)償收縮效應(yīng)、冷卻階段,開模階段和部分排出期。在大多數(shù)情況下,最長時間的上述所有階段是冷卻時間。
冷卻時間在注射模塑過程被定義為時間需要冷卻塑料零件到彈射溫度[1]。
圖1 模具溫度變化在一個周期的[ 2 ]
一個冷卻過程的主要目的是降低額外冷卻時間，在理論上是不必要的；在實踐中，它延伸從45到67%的整個周期時間的[1,4]。
從文學(xué)與實驗[1,4],它可以看到,模具溫度影響極大,因此脫模時間冷卻時間(成本)。
注射成型過程是一個循環(huán)過程,模具溫度變化見圖1,溫度變化從平均價值通過整體周期時間。
2.塑料注射模具冷卻技術(shù)
因為它已經(jīng)描述,已經(jīng)有幾種不同的技術(shù),讓用戶來冷卻模具[5]。最傳統(tǒng)的方法是用鉆井技術(shù),即生產(chǎn)模具的洞。通過這些孔(coolinglines),冷卻介質(zhì)流動,消除生成和積累的熱量從模具[1,2]。它也是非常方便的在不同的材料建造,不同的熱導(dǎo)率,目的是提高控制模具溫度條件。這樣的方法是所謂的被動方法對模具溫度控制。
這個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是使一個活躍的系統(tǒng),它可以改變熱條件,對于所需的方面,比如產(chǎn)品質(zhì)量或周期時間。一個這樣的方法是集成熱電氣模塊(TEM),它可以改變熱條件期望的性質(zhì),對于模具。用這樣的方法,一個可以控制傳熱與時間和空間變量,什么手段,溫度可以調(diào)節(jié)整個注塑周期,獨(dú)立于位置的模具。熱控制是通過控制單元,輸入變量是收到的人工輸入或輸入從注塑仿真。與輸出值,控制單元模塊行為監(jiān)控TEM。
2.1 熱電模塊(TEM)
為需要的熱操作,TEM模塊集成到模具。熱量與電之間的交互變量對于換熱是基于珀爾帖效應(yīng)。珀爾帖效應(yīng)的現(xiàn)象是眾所周知的,但它是直到現(xiàn)在從未用于注塑應(yīng)用程序。TEM模塊(見圖2)是一個設(shè)備由妥善安排雙P和N型半導(dǎo)體,放置兩個陶瓷板之間形成熱與冷熱電冷卻器網(wǎng)站。權(quán)力的傳熱可以容易控制通過的大小和極性的電流提供。
圖2 TEM框圖
2.2 申請模具冷卻
應(yīng)用程序的主要想法是插入到墻壁的TEM模塊模腔作為主要傳熱單元。
這些基本的裝配中可以看到圖3。二次傳熱是通過常規(guī)流體冷卻系統(tǒng)實現(xiàn),允許熱流入與流出從模腔熱力學(xué)系統(tǒng)。
圖3 TEM冷卻組件結(jié)構(gòu)
設(shè)備呈現(xiàn)在圖。3包括熱電模塊(一個),使主要傳熱從或溫度可控表面模具腔(B)。二次傳熱是通過冷卻通道啟用(C),提供恒溫條件在模具。熱電模塊(一)操作作為熱泵和這樣操縱與熱派生或者從模具由流體冷卻系統(tǒng)(C)。系統(tǒng)二次加熱與冷卻通道操作作為熱交換器。減少熱容的可控區(qū)域保溫(D)是安裝在模腔(F)和模具結(jié)構(gòu)板(E)。
圖4 溫度的檢測與調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)
整個應(yīng)用程序包括TEM模塊,一個溫度傳感器和電子裝置控制系統(tǒng)的完整。該系統(tǒng)被描述在圖4和包括一個輸入單元(輸入界面)和一個供應(yīng)單位(單位為電子和電力電子供應(yīng)h橋單元)。
輸入和供應(yīng)單位與溫度傳感器回路信息附在一個控制單元,作為執(zhí)行單元試圖強(qiáng)加預(yù)定義的溫帶/時間/位置關(guān)系。使用珀爾帖效應(yīng),單位可以用于加熱或冷卻的目的。
二級除熱是通過流體冷卻媒體實現(xiàn)視為換熱器,如圖4。這單位是根據(jù)目前的冷卻技術(shù)和作為一個水槽或源的熱。這允許完全控制過程從溫度、時間和位置通過整個周期。此外,它允許不同的溫度/時間/位置概要文件在周期也為起點和終點的過程。描述技術(shù)可用于各種工業(yè)和研究目的,精確的溫度/時間/位置控制是必需的。
本文所提出的系統(tǒng)在無花果。3和4的比較分析,從理論以及實踐的觀點。分析了理論方面通過有限元模擬,而實用的開發(fā)和實現(xiàn)的原型到實際應(yīng)用測試。
3.有限元分析模具冷卻
當(dāng)前的發(fā)展對注塑模具設(shè)計包括幾個階段[3]。其中還設(shè)計和優(yōu)化一個冷卻系統(tǒng)。這是現(xiàn)在由模擬使用定制的有限元軟件包(模塑仿真分析[4]),可以預(yù)測冷卻系統(tǒng)功能,特別是其影響塑料。與這種模擬,模具設(shè)計師收集信息在產(chǎn)品流變學(xué)和變形由于收縮作為魔法作為生產(chǎn)時間周期信息。
這個熱信息通常是準(zhǔn)確的,但仍然可以不可靠的情況下的流變材料信息不足。高質(zhì)量的輸入為熱調(diào)節(jié)TEM,需要得到一個圖片關(guān)于溫度分布在周期時間和整個模具表面和整個模具厚度。因此,不同的過程模擬是必要的。
圖5 在有限元環(huán)境原型截面
3.1物理模型,有限元分析
實現(xiàn)有限元分析為開發(fā)項目做是由于作者長期經(jīng)歷這樣的包[4]和可能性來執(zhí)行不同的測試在虛擬環(huán)境。整個冷卻系統(tǒng)設(shè)計了原型在有限元環(huán)境(見圖5)通過溫度分布在每個部分的原型和聯(lián)系人之間的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了探討。為模擬物理特性在一個樣機(jī),仿真模型構(gòu)建了利用COMSOL軟件多重物理量。結(jié)果是一個有限元模型與真實的原型(見圖7),通過它可以比較和評估結(jié)果。
探討了有限元模型在術(shù)語的傳熱物理考慮兩個熱源:水換熱器與流體物理和熱電模塊與傳熱物理(只有傳導(dǎo)和對流輻射進(jìn)行分析,忽略了由于低相對溫度,因此低影響溫度)。
有限元分析的邊界條件設(shè)定目標(biāo)達(dá)到相同的工作條件,在實際測試。周圍的空氣和水換熱器被設(shè)定在穩(wěn)定的溫度20?C。
圖6 根據(jù)有限元分析的溫度分布
有限元分析的結(jié)果中可以看到圖6,即通過模擬溫度分布區(qū)域圖5所示。圖6表示穩(wěn)態(tài)分析,非常準(zhǔn)確的原型測試相比。為了模擬時域響應(yīng)進(jìn)行了瞬態(tài)仿真也,顯示非常積極的結(jié)果對于未來的工作。才能夠?qū)崿F(xiàn)一個溫差200?C在很短的時間(5 s),可能會導(dǎo)致一些問題在TEM結(jié)構(gòu)。這些問題就都解決了幾個解決方案,比如足夠的安裝,選擇合適的材料和應(yīng)用智能化電子透射監(jiān)管。
3.2實驗室測試
因為它已經(jīng)描述,原型制作和測試(見圖7)。結(jié)果顯示,設(shè)置的假設(shè)被證實。用TEM模塊,可以控制溫度分布的不同部分的模具在整個周期的時間。與實驗室測試,這是證明了的,可以是實際的熱操縱監(jiān)管與TEM模塊。測試是在實驗室,模擬真實的工業(yè)環(huán)境,注塑成型機(jī)克勞斯Maffei公里60 C、溫度傳感器、紅外攝像機(jī)和原型TEM模塊。反應(yīng)溫度在1.8 s多樣形式+ 5 80?C,代表一個廣闊的區(qū)域內(nèi)的熱量控制在注塑周期。
圖7 在實際環(huán)境中的原型
4.結(jié)論
利用熱電模塊與它直接連接輸入和輸出之間的關(guān)系是一個里程碑冷卻應(yīng)用程序。它的引入對注塑模具與它的問題和問題處理的冷卻結(jié)構(gòu)精密,高質(zhì)量的塑料部分代表了很高的期望。
作者是假設(shè)使用珀爾帖效應(yīng)可用于溫度控制在模具注塑。的方法有基于仿真的工作和真正的生產(chǎn)實驗室設(shè)備證明,假設(shè)被證實。仿真結(jié)果顯示,一個廣泛的領(lǐng)域可能的應(yīng)用TEM模塊在注塑過程。
與功能的溫度曲線提到跨周期時間,注射模塑過程可以完全控制。工業(yè)的問題,如均勻冷卻問題類表面及其后果的塑料件外觀可以解決。填充墻的問題可以解決薄長與過熱的一些表面在注射時間。此外,這樣的應(yīng)用程序控制流變特性的塑料材料可以獲得。用適當(dāng)?shù)臒嵴{(diào)節(jié)TEM是可能甚至控制熔體流動的模具,在充填階段的模腔。這是做了適當(dāng)?shù)臏囟确植嫉哪＞?更高的溫度對薄壁零件的產(chǎn)品)。
應(yīng)用TEM模塊,可以顯著減少周期時間在注塑過程。時間的限制可能減少在于框架的10 - 25%的額外的冷卻時間,在1.2節(jié)描述。
應(yīng)用TEM模塊可以積極控制產(chǎn)品的翹曲和調(diào)節(jié)量的產(chǎn)品翹曲的方式來達(dá)到所需的產(chǎn)品公差。
提出了TEM模塊冷卻應(yīng)用注射模塑過程是一個優(yōu)先的選擇注意的專利,屬于TECOS舉行。
參考文獻(xiàn)
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[5] S.C. Chen, et al., Rapid mold surface heating/cooling using electromagnetic induction technology: ANTEC 2004, Conference CD-ROM, Chicago,Illinois, 16–20 May, 2004.