Hvad er køleledninger?
Køleledninger i specielle formapplikationer
Jeg har arbejdet med skimmelsvamp i 18 år nu. Tilbragte det første årti i en fangenskabsforretning i Michigan med at drive bil. De sidste otte år rådgivning, mest medicinsk og forbrugerelektronik. Hvis der er én ting, der adskiller de butikker, der tjener penge, fra dem, der ikke gør, så er det køling. Ikke de smarte ting, du læser om i fagblade. Bare grundlæggende, tankevækkende kølelinjelayout.
De fleste leverandører af sprøjtestøbningsværktøj vil fortælle dig, at køling tegner sig for 60-70 % af din cyklus. Det tal flyder rundt i branchen som gospel. Det virkelige tal afhænger af vægtykkelse, harpiks og omkring femten andre variabler. Jeg har set tynde-emballeringsforme, hvor afkøling var 80 % af cyklussen. Kørte en gang et tykt snit bilhus, hvor det var tættere på 45 %. Pointen er, at de generiske procenter ikke hjælper dig meget. Det, der hjælper, er at forstå varmestrømmen i din specifikke del.
Præcisionsværktøj kræver præcis termisk styring.
Drill-and-Plug Reality
Konventionel køling er bore-og-stik. Du tager din formblok, sætter den på møllen eller pistolboret og laver lige huller. Forbind dem med krydsbor eller eksterne slanger. Sæt de ender, du ikke har brug for. Denne metode virker. Det har virket siden min far var i denne forretning. Værktøjet er billigt, enhver butik kan gøre det, og når noget tilstopper, kan du stange det ud.
Problemet viser sig, når geometrien bliver kompliceret. Jeg havde et job sidste år-forbrugerelektronikkabinet, masser af kurver, nominel væg 1,2 mm med knasterne ned til 0,8 mm. Industridesigneren havde ingen interesse i, hvad jeg egentlig kunne se. Kernesiden havde måske 6 mm stål bag hulrummet i tre forskellige zoner. Du kan ikke sætte en 10 mm kanal der. Du kan heller ikke sætte en 6mm kanal der, ikke med nogen sikkerhedsmargin.
Det, vi endte med at gøre, var en kombinationstilgang. Bobler i de dybe kerner, bafler, hvor vi havde nok kød, og én konform indsats på det værste hot spot. Det konforme stykke tilføjede $11.000 til værktøjsprisen. Kunden ønskede ikke at betale det i starten. Så viste vi dem cyklustidsforskellen
-14 sekunder med konform versus 22 uden. De betalte.
Konform køling-Når det giver mening
Metal 3D-print ændrede denne forretning. For ti år siden var konform køling en kuriosum, noget man så på en messe og tænker "det er pænt." Nu tilbyder eller burde enhver større brugerdefineret sprøjtestøbeproducent det. Teknologien modnes. Priserne faldt. Leveringstider blev rimelige.
Materialerne virker. Jeg har kørt MS1 maraging stål skær forbi 400.000 skud uden problemer. H13-udskrifter bliver bedre, men pulvermetallurgien er stadig ikke helt der til anvendelser med højt-slid efter min erfaring. For kerner og hulrumsindsatser, der ikke kan se direkte indfald i porten, holder trykt stål sig fint.
Her er hvor folk tager fejl: de tror, at konform betyder, at du kan afkøle hvad som helst. Det kan du ikke. Kanalerne har stadig brug for flow. Jeg ser design støde på mit skrivebord med disse smukke organiske kølekanaler, der ligner blodkar. Meget smuk i CAD. Umuligt at få turbulent flow igennem. Trykfaldet dræber dig, eller flowet bliver laminært og dine varmeoverførselstanke.
Regel, jeg bruger: Hold dit kanaltværsnit- over en ækvivalent diameter på 5 mm, overskrid ikke et 4:1 billedformat på nogen ikke-cirkulær sektion, og begræns din samlede kredsløbslængde til, hvad din TCU faktisk kan skubbe. De fleste gulvtemperaturstyringsenheder fylder omkring 4-5 bar. Dit konforme kredsløb plus manifold plus slanger skal fungere inden for det.
Baffler og bobler har stadig deres plads
Før du ringer til din leverandør af sprøjtestøbningskøleløsninger om en trykt indsats på 15.000 USD, skal du overveje de gamle muligheder. Baffler koster måske 30 $ stykket. Bobler, $40-50. Varmerør løber $150-400 afhængigt af længde og diameter.
Bafler fungerer godt i rektangulære kerner. Den flade klinge deler det borede hul i tilførsel og retur. Vand går ned ad den ene side, rundt om bunden, tilbage op på den anden side. Du mister noget flowkapacitet-figur 60-65 % af, hvad en åben kanal ville give dig. Til de fleste applikationer er det rigeligt.
Almindelig fejltilstand
Fejltilstanden ser jeg oftest med bafler: fyre borer for dybt, baflen bunder, flow bliver begrænset ved spidsen. Efterlad 3-4 mm frigang i bunden. Mere, hvis din vandkvalitet er tvivlsom, og du forventer kalkopbygning.
Bobler er bedre til runde kerner. Rør--i-rørarrangementet giver dig mere overfladeareal end en skærm i hul med samme diameter. Ulempen er, at de er mere følsomme over for dimensionel tolerance. Det ringformede mellemrum mellem det indvendige rør og det ydre hul styrer dit returflow. For stramt og du sulter kredsløbet. For løst, og alt dit vand-kredser gennem mellemrummet uden at nå spidsen.
Materialevalg ingen taler om
Hver eneste brochure med præcisionsformfremstilling nævner konform køling. Ikke mange taler om materialevalg til køleydelse.
BeCu indsatser har eksisteret for evigt. Termisk ledningsevne omkring 105 W/m·K mod 29 for H13. Det er et stort tal. På et hot spot, hvor du fysisk ikke kan komme vand tæt nok på, kan en kobberlegeringsindsats redde jobbet. Jeg har brugt dem bag tynde ribben, i løftelegemer, i små kerner, hvor en bubbler ikke passer.
Fangsten er slid. BeCu kører måske 35-38 HRC efter varmebehandling. Du kommer ikke direkte ind på den. Du kommer ikke til at køre glasfyldt nylon hen over det i en million cyklusser. Men på beskyttede steder, hvor du blot skal trække varme, virker det.
Aluminiumsværktøj er undervurderet til den rigtige anvendelse. En medicinsk kunde kom til mig og ønskede prototypeforme, forventede mængder omkring 50.000 styk om året, tre-årig produktlevetid. De tilbud, de havde for P20-værktøjer, var -lang leveringstid, høje omkostninger, og de ville være forældede, før de blev slidt op. Vi lavede kerner og hulrum i QC-10 aluminium til omkring 40% af stålprisen. Cyklustider kom på 12 sekunder i forhold til de 18-20, vi estimerede for stål. Tre år senere kører disse værktøjer stadig. Lidt slid på skillelinjen, intet der påvirker delens kvalitet.
Temperaturkontrol bliver kompliceret
Simple forme kører et kølekredsløb pr. halvdel. Vand ind, vand ud, færdig. Specielle forme-og jeg ville placere det meste af det, der passerer mit skrivebord i disse dage i den kategori-har brug for flere zoner.
En sprøjtestøbeingeniørkonsulent, jeg arbejder med, har et ordsprog: Hvert hot spot har brug for sit eget svar. Nogle gange er svaret mere flow. Nogle gange er det koldere vand. Nogle gange er det en materiel ændring. Nogle gange er det at acceptere en længere cyklus og komme videre. Pointen er, at du ikke kan behandle en form som én ensartet termisk masse.
Kaskadekontrol hjælper. Din TCU overvåger formtemperaturen via termoelementet og justerer flow- eller blandingsventilens position for at holde sætpunktet. Fungerer godt til steady-state. Hjælper ikke meget med det forbigående-udbrud af varme, når 300 graders plastik rammer hulrummet, derefter den gradvise afkøling-og derefter endnu et udbrud. Stålets termiske masse gør det meste af arbejdet med at udjævne det.
Variothermal er ægte, men dyrt. Cykle formoverfladetemperaturen høj før påfyldning, og sænk den derefter hurtigt til afkøling. Jeg har set det fjerne svejselinjer på høj-glansdele. Jeg har også set det tilføje $80.000 til et værktøjsprogram og seks måneders udviklingstid. Til den rigtige applikation-Klasse A bilinteriør, medicinsk udstyr med ingen-defekt kosmetisk krav-kan det udskrives. For de fleste job gør det ikke.
Hvad der faktisk betyder noget
Efter alle disse år er her, hvad jeg fortæller yngre ingeniører: få det grundlæggende rigtigt først. Hold dine vandlinjer inden for 2D fra overfladen, hvor du kan. Kør nok flow til at forblive turbulent. Lad ikke kredsløb blive så lange, at temperaturstigningen dræber dig - 10 graders delta max fra indløb til udløb er et godt mål. Balancer dine kredsløb, så de alle ser lignende begrænsninger.
Gør disse ting, og du vil løse 80 % af dine køleproblemer. De øvrige 20% er der, hvor det interessante arbejde sker. Det er her, du måske har brug for konform eller kobber, eller variotermisk eller en kombination, som ingen har prøvet før.
Redskaberne findes. Leverandørerne findes. Viden findes. Det, der gør forskellen, er at tage sig tid til at gennemtænke varmestrømmen i din specifikke del, din specifikke form, din specifikke proces. Ingen simulering erstatter det. Ingen tommelfingerregel dækker enhver sag. Du skal gøre arbejdet.
Treogtyve- år i dette fag, og jeg lærer stadig. Det er enten den bedste del eller den værste del, afhængigt af dagen.