Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki School of Technology and Management, Polytechnic Institute of Leiria Käännös: Tuula Höök - Tampereen Teknillinen Yliopisto Mallinnustyökalut Jäähdytysjärjestelmän suunnittelussa kannattaa hyödyntää erilaisia mallinnustyökaluja. Niillä voidaan varmistaa, että jäähdytys toimii samalla tavoin kaikissa muottipesän osissa. Samalla parannetaan merkittävästi muottien laatua ja voidaan suunnitella prosessiparametrit vastaamaan paremmin kunkin tuotteen vaatimuksia. Suurin este tehokkaan lämmönsiirron toteutumiselle on muoviraaka-aine itse. Muoviraaka-aineiden lämpötilan tasoittumiskerroin on matala. Tästä syystä on tärkeää tarkastella muovien käyttäytymistä lämmön johtumisen suhteen eri lämpötiloissa. Jäähtymisprosessin mallinnuksessa on tarpeen tarkastella muottiraaka-aineen lämpöominaisuuksia sekä ominaisuuksia rajapinnoilla muotin sisällä. Erityisesti tarkastellaan konvektiivista lämmönsiirtoa jäähdytyskanaviston sisällä. Lämmön siirtymistä isotrooppisilla aineilla voidaan kuvata yhtälöllä [20]: ρ C P T = t ( K T ) + Q, jossa ρ = tiheys, CP = ominaislämpökapasiteetti, K = materiaalin lämmönjohtavuus. T = paikallinen lämpötila ajan hetkellä t kussakin avaruuskoordinaatiston pisteessä ja Q = materiaalin kullakin ajan hetkellä vapauttama tai varastoima lämpöteho tilavuusyksikköä kohti. Kun yhtälö differoidaan kaksiulotteiseen suorakulmaiseen koordinaatistoon, saadaan: ρ C P T t = T K x x + T K y y + Q Yhtälöllä voidaan nyt laskea materiaalin tietyn alueen lämpötila ja siinä tapahtuvat muutokset ajan suhteen. Ensimmäiseksi täytyy kuitenkin määritellä alkutilanteen lämpötila ja olosuhteet rajapinnoilla. Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 1
Muotin rakenteen ja toiminnan optimoinnissa voi käyttää apuna elementtimenetelmäohjelmistoja ja lämpötilan virtauksen laskemiseen tarkoitettuja ohjelmistoja. Myöhemmin esitetään esimerkki, jossa muotin lämmönsiirtoominaisuuksia on analysoitu kaupallisella, ruiskuvalutapahtuman analysoiin tarkoitetulla ohjelmistolla. Viimeisimmillä kaupallisilla sovelluksilla pystyy analysoimaan ruiskuvaluprosessia kolmiulotteisesti. Esimerkin laskennassa käytetyssä ohjelmistossa jäähtymisen analysoi perustuu rajapaelementtien hyödyntämiseen. Ohjelmiston jäähtymislaskentamoduulissa lämmön siirtyminen polymeerin sisällä mallinnetaan yksiulotteisena johtumisena transienttialueella. Lämmön siirtyminen jäähdytyskanavien seinämän ja niissä kulkevan jäähdytysnesteen välillä käsitellään konvektiona stationaarialueella. Ratkaistessaan yhtäaikaisesti näitä erityyppisiä lämmönsiirtoyhtälöitä, ohjelmisto ottaa käyttöön hybridimallin, jossa lämmön siirtyminen muottimateriaalissa lasketaan kolmiulotteisella elementtimallilla ja muoviraaka-aineessa yksiulotteisella mallilla. Nämä kaksi laskentamallia liitetään toisiinsa, jolloin saadaan määritettyä tilanne polymeerin ja muotin rajapinnalla. Jäähdytysnesteen virtausta mallavat kaavat on ratkaistu iteratiivisella Newton- Raphson menetelmällä. Menetelmällä saadaan selvitettyä virtaus ja paineen lasku jokaisessa jäähdytyskanavassa. Sen jälkeen lasketaan kanavien seinämien ja jäähdytysnesteen väliset lämmönsiirtokertoimet. Konvektiivinen lämmön siirtyminen muotin ulkoseinän kautta ympäristöön lasketaan myös. Kaupallinen ohjelmisto käsittelee muottia laatikkona siten, että jäähdytyskanavat, täyttöjärjestelmä ja muottipesät on lisätty laatikon sisään. Ruiskuvaluprosessin simuloi alkaa muotin täyttövaiheesta. Kun jäähtymislaskentamoduuli otetaan mukaan, polymeerin ruiskutuslämpötila oletetaan vakioksi. Tästä oletuksesta seuraa laskentaan virhettä, koska polymeerin lämpötila saattaa nousta ruiskutuksen aikana jopa 30 C ruiskutuksen nopeudesta ja polymeerin ominaisuuksista riippuen. [21] Polymeerin ja muotin välinen rajapaan määritetään lämmönsiirtokerroin (h). Kerroa käytetään simuloitaessa lämmön siirtymistä kahden materiaalin välillä seuraavia yhtälöitä käyttäen: h h ( T T ) M x= b + ( T T ) M x=+ b T = k n T = k n x= b x=+ b, joissa T = polymeerin lämpötila muotin ja polymeerin rajapinnassa; TM ja + T M ovat pesien lämpötilat muotin kieällä (negatiivisella) ja liikkuvalla (positiivisella) puolella. b ja + b osoittavat positiivista ja negatiivista etäisyyttä kappaleen keskipisteestä. Etäisyys on puolet seinämän paksuudesta. Jos lämmönjohtavuus rajapinnassa määritetään nollaksi (lämpöä eristävä rajapa), lämmön siirtymistä ei tapahdu rajapinnan läpi. Jos lämmönjohtavuus määritetään hyvin suureksi, rajapinnassa vallitsee täydellinen terminen kontakti ja lämpötilat rajapojen molemmin puolin ovat samat. Kaupallisissa ohjelmistoissa tämä hyvin suuri arvo on usein 25000 w/m2 ºC. Seuraavassa esitettävä esimerkkilaskelma osoittaa muutamia tärkeitä näkökohtia jäähdytyskanaviston suunnittelussa. Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 2
Esimerkkilaskelma Kuva 1: Esimerkkilaskelmassa käytetty muottirakenne Kieä muottipuolisko a) Pereinen jäähdytyskanavisto Kuva 2: Kappaleen pinnan lämpötila Kuva 3: Kuva 4: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 5: Jäähtyneen kerroksen osuus Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 3
b) Vertikaalinen jäähdytyskanavisto Kuva 6: Kappaleen pinnan lämpötila Kuva 7: Kuva 8: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 9: Jäähtyneen kerroksen osuus c) Muottipesän paa seuraava jäähdytyskanavisto Kuva 10: Kuva 11: Kuva 12: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 13: Jäähtyneen kerroksen osuus Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 4
Kieä ja liikkuva puoli a) Pereiset jäähdytyskanavat kieällä ja liikkuvalla puolella Kuva 14: Kuva 15: Kuva 16: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 17: Jäähtyneen kerroksen osuus b) Vertikaalinen jäähdytyskanavisto kieällä ja liikkuvalla puolella Kuva 18: Kuva 19: Kuva 20: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 21: Jäähtyneen kerroksen Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 5
c) Muottipesän paa seuraava ja vertikaalinen jäähdytyskanavisto kieällä ja liikkuvalla puolella Kuva 22: Kuva 23: Kuva 24: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 25: Jäähtyneen kerroksen osuus d) Muottipesän paa seuraava kanavisto kieällä ja liikkuvalla puolella Kuva 26: Kuva 27: Kuva 28: Kappaleen jäähtymisaika Kuva 29: Jäähtyneen kerroksen osuus Ruiskuvalumuotin jäähdytys, simuloiesimerkki - 6