Diseño de herramientas de moldeo por inyección con enfriamiento conformado: una guía DFM para componentes complejos

ISO 20457:2018 establece claramente: Las tolerancias dimensionales lineales de las piezas de inyección de plástico de precisión deben coincidir con los límites del rango de dimensiones, y la interferencia del sellado de la línea de separación debe estar dentro de los parámetros de aceptación.

A partir de este requisito, decidimos introducir ΔT≤3℃ y la relación de compresión de la junta tórica del 15 al 25 % en nuestras especificaciones de molde.

Logramos acortar el período de enfriamiento en la carcasa de un sensor de automóvil en 11 segundos, de 32 a 21 segundos, la deformación se redujo de 0,45 mm a 0,12 mm y la tasa de desechos del 4,2 % al 0,6 %. Nuestro enfoque del proyecto finalmente se almacenó en la base de datos de casos de 212 proyectos de JS Precision.

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¿Cómo determinar los parámetros DFM básicos para el diseño de moldes de enfriamiento conforme?

Los principales parámetros DFM para el diseño de moldes de enfriamiento conforme son la distancia del canal desde la superficie de la cavidad (2-5 mm), el diámetro del canal (6-12 mm) y el espaciado (3-5 diámetros). Estos cuatro parámetros básicos establecen el nivel de capacidad de enfriamiento del molde y su resistencia estructural.

La distancia de la cavidad es una variable de diseño principal

• <1,5 mm: la eficiencia del intercambio de calor es extremadamente alta, pero la impresión DMLS de aceros de paredes delgadas puede causar deformación plástica a presiones de inyección de 500-1500 bar.
• >8 mm: La característica de conformación desaparece, volviéndose comparable a la perforación con pistola.
• Para condiciones de presión superiores a 1000 bar, 4-5 mm es el valor correcto, y para condiciones de baja presión, se debe seleccionar 2-3 mm. Determinar la compensación de la cavidad respecto del espesor del acero del molde y la presión de inyección es el paso inicial de DFM para herramientas de moldeo por inyección.

Diámetro y espaciado del canal

• Diámetro: Equilibra el área de transferencia de calor y la resistencia mecánica del componente. Un canal grande proporciona una mayor transferencia de calor y un mejor flujo, pero la cantidad de acero consumida es importante, <3 mm hace que sea casi imposible eliminar el polvo. 6-10 mm es el rango que encontrará adecuado en la mayoría de los casos.
• Espaciado: Esto influye en la uniformidad de la temperatura sobre el producto. Un espaciado demasiado amplio, más de 5 veces el diámetro, produce crestas térmicas, lo que lleva a un patrón regular de diferencias de temperatura en la superficie del producto; un espaciado demasiado estrecho, menos de 3 veces el diámetro, disminuye la resistencia del molde. Lo ideal es 3-5 veces el diámetro.

Selección de forma de sección transversal

• Circular: Esto proporciona la menor resistencia al flujo y la fabricación es la más confiable.
• Lágrima (punta hacia la cavidad): esta forma agregará una superficie de transferencia de calor entre un 15 % y un 20 % aproximadamente.
• Elíptica (el eje largo de la elipse es paralelo a la superficie de la cavidad): una solución intermedia.

Por lo tanto, se puede decir que el desplazamiento y el diámetro del canal son los parámetros fundamentales de la característica conforme del enfriamiento; una base débil permanecerá como tal sin importar cuántas veces se realice la simulación después.

Figura 1: Esquema de diseño de molde de enfriamiento conforme con canales.

¿Cómo coordinar el diseño del canal de enfriamiento conforme con la estructura del molde?

En el servicio de herramientas para moldes de inyección: al crear un diseño para sistemas de enfriamiento conformal, asegúrese de alinear el diseño del canal con la línea de separación, el sistema eyector, el plano de división del inserto y la estructura de sellado en la fase de Diseño para fabricación.

Separación de canales y superficies de separación

• Mantenga la distancia entre la línea central del canal y la superficie de separación más de 3 mm para evitar que el plástico fundido se filtre al canal a través del material inyectado a alta presión.
• Si es necesario pasar el canal a través de la superficie de separación, asegúrese de que ambos lados estén provistos de estructuras de sellado.

Disposición de canales y sistema eyector

Los controles deslizantes de los pines eyectores, etc. se encuentran entre las principales causas de conflictos físicos en el diseño de los canales. Con herramientas de moldes de componentes complejos, la etapa DFM es una fase durante la cual se verifica la superposición del canal 3D para detectar posibles conflictos con los inyectores. Un conjunto común de enfoques sería:

1. Cambiar la ubicación del pasador expulsor.
2. Enrutamiento del canal a través de la inserción del canal.
3. Creación de pines expulsores con pasos.

División de la estrategia de inserción

Divida un inserto conformable en una serie de módulos independientes para poder controlar los costos de impresión y facilitar las reparaciones. Principios de división:

1. División en el límite de regiones con altas temperaturas.
2. Asegurar que la superficie de división tenga un nivel de tensión bajo.
3. Colocar la entrada/salida del canal de agua fuera de cada inserto para que las tuberías se puedan conectar de manera fácil y precisa.

Estructura de sellado

La superficie de contacto entre el inserto y el molde está provista de una ranura anular que proporciona una compresión del sello del 15-25 %. La entrada/salida del canal de agua utiliza una junta de empaque plana o una junta sellada cónicamente. Si la disposición de sellado para el molde de inyección de enfriamiento conformado no estuviera a la altura, todo el molde experimentaría una disminución repentina en su capacidad de enfriamiento sin previo aviso.

Descargue la lista de verificación para evitar canales de enfriamiento conformes y pines eyectores, que incluye métodos de detección de interferencias y puntos de diseño de sellado para ayudarlo a evitar conflictos estructurales por adelantado durante la etapa DFM de herramientas de moldes de componentes complejos.

¿Cómo optimizar el refrigerante y la reología para el diseño de moldes de enfriamiento conformal?

La optimización del medio de enfriamiento para molde de inyección con enfriamiento conformado se centra en tres objetivos: transferencia de calor turbulenta (Re>4000), control de caída de presión (Δ P<2-3 bar) y adaptación del tipo de medio según la temperatura de la resina. rango.

Condición de transferencia de calor turbulenta:

La capa límite impide la transferencia de calor en el flujo laminar. Se requiere que el número de Reynolds Re sea superior a 4000 y se recomienda que Re sea superior a 5000. La rugosidad de la pared interior del canal impreso SLM (Ra ≈ 10 μm) reduce el Re efectivo real y se debe reservar un margen en la fase de diseño.

Control de pérdida de presión:

Las flexiones de codo de aproximadamente 90 grados contribuyen a las pérdidas adicionales del 30-50 % de la cabeza. Técnicas empleadas para reducir la resistencia al flujo hasta 2-3 bar:

1. No se sugiere el uso de curvas de 90 grados. Es mejor hacer un radio de curvatura suave > el diámetro de la tubería.
2. Uso de múltiples canales de agua en paralelo.
3. AFM alisa la pared interna para que reduzca la rugosidad promedio de Ra 10 μm a 1,6 μm (se logra una reducción de la pérdida de flujo en aproximadamente un 30 %).

Selección del medio de refrigeración

IATF 16949:2016 Sistema de Gestión de Calidad para el Sector Automotriz, enfatiza explícitamente: Las características especiales (como la uniformidad del enfriamiento del molde) deben identificarse y regirse a través del AMEF de proceso.

Teniendo en cuenta este aspecto del control del molde automotriz, incluimos ΔT≤3℃ y punto caliente como la razón clave detrás de la tasa de aprobación de los primeros moldes del 94,8% del proyecto, frente a solo el 62,5% de los otros proyectos que no tenían suficientes iteraciones.

En otras palabras, para sus piezas automotrices o médicas complejas, el número de iteraciones de simulación determinará en última instancia la probabilidad de que la prueba del molde sea exitosa. Difícilmente ahorrará suficiente tiempo durante la fase de diseño como para justificar saltarse una o dos iteraciones, mientras que durante la fase de prueba del molde tendrá que dedicar un esfuerzo mucho mayor para recuperar los problemas que se han omitido.

Contáctenos para obtener un informe gratuito de verificación de simulación de enfriamiento conforme, un análisis de Moldflow para puntos calientes en sus piezas complejas y sugerencias de optimización y predicción de ΔT dentro de las 48 horas para garantizar la primera prueba del molde de inyección de enfriamiento conforme.

Figura 4: Molde de inyección industrial grande en taller.

¿Cómo resolvió JS Precision los desafíos de deformación de una carcasa de sensor automotriz utilizando un diseño de molde de enfriamiento conformado?

JS Precision desarrolló y produjo un molde de inyección con refrigeración conformada para la carcasa de sensor de PC/ABS de un proveedor automotriz de nivel 1. Lograron resultados notables: la deformación se redujo de 0,45 mm a solo 0,12 mm, mientras que mucho tiempo: el enfriamiento se redujo de 32 segundos a 21 segundos y la tasa de desechos del 4,2 % al 0,6 %.

Desafíos del cliente:

El proveedor automotriz de nivel 1 tiene la necesidad de desarrollar un molde de inyección de alta precisión para una carcasa de sensor del compartimiento del motor. El material era PC/ABS, las características a moldear incluyen nervaduras profundas (35 mm de altura/1,2 mm de espesor de pared), muchas protuberancias (8 mm de diámetro/12 mm de altura) y superficies curvas asimétricas.

Hay tres problemas principales con un molde de canal de agua Clase 101 perforado con pistola convencional: el tiempo de enfriamiento toma 32 minutos, el tiempo total del ciclo es de aproximadamente 46 segundos, esto apenas puede cumplir uno del millón de objetivos anuales, una diferencia de temperatura de 18 ℃ entre las regiones de costilla/boste, la deformación de 0,38 a 0,52 mm debido a la diferencia de temperatura (límite: 0,20 mm) y una tasa de desperdicio del 4,2 % El 73% de ellos superan la deformación.

Pasos clave de la solución JS Precision:

• Análisis de flujo del molde: según el análisis de Moldflow, hay tres puntos calientes (dos costillas en la base, una profunda cada una y una en la base gruesa).

• Descomposición de inserciones: el área conforme se dividió en tres inserciones separadas con bucles conformes independientes, lo que da lugar a una menor huella y costo de impresión y es más fácil mantenerlos.

• Disposición del canal de agua: Tres bucles independientes, tamaño de 8 mm con una distancia entre canales de la cavidad de 3 mm, espacio entre canales de agua de 28 mm (3,5 veces el diámetro), una sección transversal circular. Los puntos calientes se cubrieron en espiral mientras que se utilizó el diseño recto para las áreas restantes (no críticas) para reducir el costo de impresión.

• Coordinación de la estructura del molde: El diseño del canal de agua y el sistema eyector se realizaron juntos, las superposiciones de CAD aseguraron ninguna interferencia entre los diseños. La superficie de contacto del inserto y la base del molde están diseñadas con una ranura para junta tórica con una relación de compresión del 20 %.

• Fabricación aditiva y posprocesamiento: MS1 se construyó con EOS M290 y se templó a 52 HRC a 490 ℃ durante 6 h. Los canales de agua del AFM se pulieron con Ra1,6μm. La superficie de separación se realizó mediante electroerosión por hilo. El enfriamiento conformado del servicio de herramientas de moldes personalizado con pulido AFM Ra1,6μm fue un paso esencial que garantiza la estabilidad a largo plazo de los canales de agua.

Decisiones clave y lecciones aprendidas:

Inicialmente, los canales de agua se ubicaron a una distancia de 2,0 mma de la cavidad, lo que dio como resultado un inserto MS1 con un espesor de pared de área de punto caliente de solo 1,8 mm. Las simulaciones estructurales indicaron que a una presión de inyección de 1200 bar la tensión sería mucho mayor que el límite elástico de MS1 (1100 MPa). Se garantizó la integridad estructural. Esta es una de las concesiones de ingeniería más comunes: priorizar la seguridad sobre la eficiencia.

Resultados finales (puntos de anclaje de datos):

• Tiempo de enfriamiento: de 32 s a 21 s (-34,4%)
• Tiempo total del ciclo: de 46 s a 34 s (-26,1 %)
• Diferencia de temperatura: 18 ℃ a 3,2 ℃
• Alabeo: de 038-052 mm a 010-014 mm
• Tasa de desguace: del 42% al 0,6%
• Con una producción anual de 1 millón de 2 piezas, el tiempo de inactividad de la máquina de moldeo por inyección ahorra alrededor de 4000 horas

El valor real del servicio de moldes de alta precisión no proviene de aprovechar al máximo la etapa de enfriamiento de la pieza, sino de identificar la mejor solución dentro de los límites estructurales de la seguridad del producto.

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¿Cómo personalizar el diseño óptimo del canal de enfriamiento conforme para sus componentes complejos?

La personalización del canal de enfriamiento conforme se realiza siguiendo un método de cinco pasos: identificación de características geométricas, determinación de ubicaciones de puntos calientes, diseño conjunto de canales de enfriamiento y estructura del molde, verificación de imprimibilidad y verificación de iteración de simulación. JS Precision suele tardar 8 días laborables.

Descripción general del método de cinco pasos

• Análisis de características geométricas y verificación DFM:

Descubra la distribución del espesor de la pared (áreas con espesor >20 mm, espesor <1,2 mm), relación entre la altura de la nervadura y el espesor, tamaño de la protuberancia, curvatura de la cavidad, línea de separación. Al mismo tiempo, identifique las posiciones de los pasadores expulsores y la disposición de la separación.

• Ubicación precisa de los puntos calientes:

Utilizando los resultados de la etapa de llenado y enfriamiento de Moldflow, se puede determinar el mapa de temperatura y las coordenadas de los puntos calientes. Las áreas donde la temperatura está por encima de un cierto nivel se designan como nodos duros que el Conformal Cool Channel tiene que manejar.

• Diseño del diseño del canal de refrigeración y coordinación de la estructura del molde:

Desarrollar la red de canales de refrigeración. Al mismo tiempo, finalice el diseño de la pieza del molde, verifique y evite interferencias entre los pasadores eyectores/deslizadores, diseñe las posiciones de los sellos de las juntas tóricas y, después de la configuración del canal de enfriamiento conforme, finalice el diseño del inserto y el sello. El esquema de enfriamiento conforme del servicio de diseño de moldes de inyección debe completarse sincrónicamente con el desmontaje del inserto y el diseño de sellado; de lo contrario, el costo de retrabajo en la etapa posterior será extremadamente alto.

• Comprobación de imprimibilidad:

Se debe verificar que cada segmento del canal cumpla con el ángulo mínimo del eje del canal de agua de 45° con respecto a la plataforma de impresión, el diámetro mínimo estrechándose hacia abajo desde un círculo con un radio de al menos 2 mm a 4 mm y el radio de curvatura de 1 diámetro. De lo contrario, regrese al paso 3 para realizar la corrección. En esta etapa, se decide la asignación para el posprocesamiento de AFM.

• Simule un conjunto completo de simulaciones de refrigeración por estado transitorio:

Luego se ingresa en Moldex3D o Moldflow. Se deben realizar al menos 5 ciclos de inyección completos. Las condiciones de aprobación son: ΔT≤3 ℃, punto caliente < temperatura objetivo del molde + 5 ℃ en el gradiente de temperatura de la sección transversal del producto < 15 ℃ en el desmolde. Se necesitan entre 2 y 4 ciclos para obtener el resultado.

Resultados de datos

Según los datos de 212 proyectos, se descubrió que los procesos estándar tienen la capacidad de pasar una primera prueba de moldeo de piezas en un 94,8 %, reduciendo el número promedio de veces que se repitió el diseño de 5,2 rondas a 2,3 rondas y recortando el tiempo del ciclo de diseño de 3 semanas a 8 días hábiles. Para el diseño de enfriamiento conforme de herramientas de moldes de componentes complejos, un proceso estandarizado es más confiable que la experiencia de las personas.

¿Por qué elegir JS Precision como su socio de diseño de moldes de enfriamiento conformado?

JS Precision está equipado con toda la cadena de producción desde el análisis DFM, el diseño de la estructura del molde, la impresión 3D de metal (DMLS) hasta la verificación de las pruebas del molde. Ha entregado más de 200 moldes de enfriamiento conformado, lo que resultó en un promedio de 28% menos de tiempo de enfriamiento, 67% menos de deformación y una primera prueba de molde del 94,8%. tarifa.

Competencias básicas

• Circuito cerrado de extremo a extremo: Diseño conceptual → Análisis DFM → Desmontaje de insertos y diseño de estructura de molde → Impresión DMLS (EOS M290/MS1) → Tratamiento térmico → Pulido AFM → Mecanizado de precisión → Verificación de prueba de molde. Un único proveedor está a cargo de todo el flujo, minimizando los riesgos de coordinación.
• Pensamiento de ingeniería orientado al diseño de moldes: Primero verificamos la solución conforme desde el punto de vista de un ingeniero de diseño de moldes de inyección, la alineación de los canales de agua con las superficies de separación, los sistemas de expulsión y los bloques deslizantes, en lugar de simplemente buscar una perfección geométrica de los canales de agua. La solución está hecha de tal manera que se puede instalar y poner en funcionamiento de manera práctica sin ninguna dificultad, y también es capaz de seguir funcionando sin problemas durante mucho tiempo.
• Toma de decisiones basada en datos:Presentamos una previsión de ROI real durante la fase de cotización basada en 212 proyectos de la vida real, que incluyeron materiales ABS, PC/ABS, PA66+GF y PEEK, entre otros.
• Compromiso cuantitativo (incluido en el contrato técnico): ΔT≤3℃, contracción por enfriamiento 20 %, tasa de aprobación del molde de prueba del primer lote (95) %, se otorga revisión gratuita si no se cumple.

El objetivo de JS Precision cuando se trata de brindar un servicio de herramientas para moldes de inyección con enfriamiento conformado no solo se limita a la producción sino más bien al éxito de la prueba del molde por única vez, que ahora es un estándar de la industria.

Tome acción ahora: envíe sus dibujos 3D (STEP/IGS), el grado de resina, el volumen de producción anual y los requisitos de calidad a JS Precision para recibir una evaluación DFM, un análisis de ROI y una cotización detallada gratuitos en un plazo de 48 horas.

Preguntas frecuentes

P1: ¿Cuál es el costo incremental aproximado de un diseño de molde de enfriamiento conformal?

El costo adicional puede oscilar entre $ 15 000 y $ 50 000 según la complejidad del componente, la cantidad de moldes de inserción y el posprocesamiento requerido. JS Precision proporcionará un desglose de los costos durante la etapa de cotización.

P2: ¿Cuál es el período de recuperación típico para un diseño de molde de enfriamiento conformal?

Depende del volumen de producción anual y del grado de reducción de la refrigeración. En un proyecto estándar, la recuperación de la inversión puede ser de aproximadamente 2,5 años con una producción anual de 50.000 piezas y aproximadamente 1,25 años para 100.000 piezas.

P3: ¿Qué materiales de resina son adecuados para el diseño de moldes de enfriamiento conformal?

Se pueden utilizar todas las resinas termoplásticas, aunque las ventajas son principalmente para grados de inyección a alta temperatura como PC, PEEK o PEI. La deformación de estos materiales resultante del enfriamiento desigual es significativa y el enfriamiento conforme aumenta en gran medida la homogeneidad de la temperatura y reduce las tasas de desechos.

P4: ¿Cuál es el diámetro mínimo para los canales conformales?

Para la impresión directa en metal, la dimensión mínima factible es de aproximadamente 4 mm. Los canales de agua de menos de 4 mm son más difíciles de sacar el polvo y generan demasiada pérdida de presión. Por lo general, JS Precision sugiere canales de tamaños de 6 a 10 mm; un tamaño más grande significa más área de contacto para el intercambio de calor, pero esto dará como resultado una menor resistencia estructural que se debe tener en cuenta.

P5: ¿Deben los insertos conformes separarse en módulos independientes?

Se recomienda dividir. Los módulos reducen la cantidad de metal que se produce al mismo tiempo y su precio, en caso de daños, el sellado y/o el reemplazo también se pueden realizar fácilmente. Cada módulo tiene un circuito independiente y se puede dividir a lo largo de los límites de los puntos calientes, lo que facilita la detección de errores y el mantenimiento.

P6: ¿Cómo evitar fugas de medio de refrigeración en canales de agua conformal?

Donde el inserto se une al molde, la superficie tiene una ranura para junta tórica cuyo nivel de compresión se mantiene entre el 15% y el 25%. Para las entradas/salidas aún se eligen láminas planas de sellado o juntas cónicas.

P7: ¿Cómo manejar la interferencia entre los canales de agua conformados y los pasadores eyectores?

Hay tres opciones: mover el pasador de expulsión, dejar espacio en el inserto para el canal de enfriamiento o construir un pasador escalonado. JS Precision emplea verificación de superposición CAD para descubrir cualquier conflicto potencial en la fase DFM.

P8: ¿Cómo obtener una cotización de JS Precision?

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Resumen

El diseño del molde de enfriamiento conformal, a través de canales conformales fabricados aditivamente, reduce el tiempo de enfriamiento del molde de inyección entre un 20 y un 40 %, la diferencia de temperatura de la superficie de la cavidad en 2 ℃ y la deformación hasta en un 90 %. Tendrás éxito si confías en estos seis conceptos básicos:

• Definir con precisión los parámetros DFM (2-5 mm/6-12 mm/3-5 diámetros).
• Sincronizar la estructura del canal-molde (evitando la superficie de separación/evitando el pasador eyector/separación del inserto/sellado de junta tórica).
• Verificación de la reología (Re>4.000/ΔP<2-3 bar).
• Elección de un material MS1 apropiado (es decir, materiales con una contracción mínima después de la sinterización).
• Realización de una simulación de verificación en circuito cerrado (2-4 redondeos hasta ΔT≤3℃).

JS Precision, con la visión de un ingeniero de diseño de moldes, ofrece un servicio de proceso completo que abarca desde el análisis DFM y la coordinación de la estructura del molde hasta la impresión DMLS y la verificación del moldeo de prueba. Envíe sus dibujos 3D (STEP/IGS) y el alcance del proyecto a JS Precision ahora y dentro de 48 horas recibirá una evaluación de viabilidad y una cotización de DFM gratuitas.

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