Progettazione di strumenti per stampaggio a iniezione con raffreddamento conformale: una guida DFM per componenti complessi

ISO 20457:2018 afferma chiaramente: le tolleranze dimensionali lineari delle parti di iniezione plastica di precisione devono corrispondere ai limiti dell'intervallo di dimensioni e l'interferenza della sigillatura della linea di giunzione deve rientrare nei parametri di accettazione.

Sulla base di questo requisito, abbiamo deciso di introdurre ΔT≤3℃ e il rapporto di compressione dell'O-ring dal 15 al 25% nelle specifiche del nostro stampo.

Siamo riusciti a ridurre il periodo di raffreddamento nell'alloggiamento di un sensore automobilistico di 11 secondi, da 32 a 21 secondi, la deformazione ridotta da 0,45 mm a 0,12 mm e il tasso di scarto dal 4,2% allo 0,6%. Il nostro approccio al progetto è stato infine archiviato nel database di 212 casi di progetto di JS Precision.

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Come determinare i parametri DFM fondamentali per la progettazione di stampi a raffreddamento conforme?

I principali parametri DFM per la progettazione di stampi a raffreddamento conformato sono la distanza del canale dalla superficie della cavità (2-5 mm), il diametro del canale (6-12 mm) e la spaziatura (3-5 diametri). Questi quattro parametri fondamentali stabiliscono il livello di capacità di raffreddamento dello stampo e la sua resistenza strutturale.

La distanza della cavità è una variabile di progettazione principale

• <1,5 mm: l'efficienza dello scambio termico è estremamente elevata, ma la stampa DMLS di acciai a pareti sottili può causare deformazione plastica a pressioni di iniezione di 500-1.500 bar.
• ＞8 mm: la caratteristica conforme scompare, diventando paragonabile alla perforazione con pistola.
• Per condizioni di pressione superiori a 1.000 bar, 4-5 mm è il valore corretto e per condizioni di bassa pressione è necessario selezionare 2-3 mm. Determinare l'offset della cavità dallo spessore dell'acciaio dello stampo e dalla pressione di iniezione è il passo iniziale del DFM per gli utensili per stampi a iniezione.

Diametro e spaziatura del canale

• Diametro: equilibra l'area di trasferimento del calore e la resistenza meccanica del componente. Un canale grande offre un maggiore trasferimento di calore e un flusso migliore, ma la quantità di acciaio consumato è significativa, <3 mm rende quasi impossibile rimuovere la polvere. 6-10 mm è l'intervallo che troverai adatto nella maggior parte dei casi.
• Spaziatura: influenza l'uniformità della temperatura sul prodotto. Una spaziatura troppo ampia, più di 5 volte il diametro, provoca creste termiche, che portano a uno schema regolare di differenze di temperatura sulla superficie del prodotto, una spaziatura troppo stretta, inferiore a 3 volte il diametro, diminuisce la resistenza dello stampo. L'ideale è 3-5 volte il diametro.

Selezione della forma della sezione trasversale

• Circolare: questo offre la resistenza al flusso più bassa e la produzione è la più affidabile.
• Lacrima (punta verso la cavità): questa forma aggiungerà la superficie di trasferimento del calore di circa il 15-20%.
• Ellittico (l'asse lungo dell'ellisse è parallelo alla superficie della cavità): Una soluzione a metà.

Quindi, si può dire che l'offset e il diametro del canale siano i parametri fondamentali della caratteristica conformale del raffreddamento, una base debole rimarrà talenon importa quante volte la simulazione verrà eseguita in seguito.

Figura 1: schema di progettazione dello stampo di raffreddamento conformale con canali.

Come coordinare il layout conforme del canale di raffreddamento con la struttura dello stampo?

Nel servizio di attrezzature per stampi a iniezione: quando si crea un layout per sistemi di raffreddamento conformati, assicurarsi di allineare il design del canale con la linea di giunzione, il sistema di espulsione, il piano di suddivisione dell'inserto, la struttura di tenuta nella fase di progettazione per la producibilità.

Separazione del canale e della superficie di divisione

• Mantenere la distanza tra la linea centrale del canale e la superficie di divisione più di 3 mm per evitare che la plastica fusa fuoriesca nel canale attraverso il materiale iniettato ad alta pressione.
• Se il canale deve essere fatto passare attraverso la superficie di divisione, assicurarsi che entrambi i lati siano dotati di strutture di tenuta.

Disposizione del canale e sistema di espulsione

I cursori dei manicotti dei perni di espulsione, ecc. sono tra le principali cause di conflitti fisici nei layout dei canali. Con attrezzature per stampi di componenti complessi, la fase DFM è una fase durante la quale viene controllata la sovrapposizione del canale 3D per possibili conflitti con gli iniettori. Un insieme comune di approcci sarebbe:

1. Modifica della posizione del perno di espulsione.
2. Instradamento del canale attraverso l'inserto del canale.
3. Creazione di perni di espulsione con passaggi.

Divisione della strategia di inserimento

Dividi un inserto conforme in una serie di moduli autonomi in modo da poter controllare i costi di stampa e facilitare le riparazioni. Principi di suddivisione:

1. Divisione al confine delle regioni ad alta temperatura.
2. Garantire che la superficie di scissione abbia un basso livello di stress.
3. Posizionamento dell'ingresso/uscita del canale dell'acqua all'esterno di ciascun inserto in modo che i tubi possano essere collegati facilmente e con precisione.

Struttura di tenuta

La superficie di accoppiamento tra inserto e stampo è provvista di una scanalatura anulare che imprime una compressione della guarnizione del 15-25%. L'ingresso/uscita del canale dell'acqua utilizza un giunto a baderna piatto o un giunto a tenuta conica. Se la disposizione di tenuta dello stampo a iniezione con raffreddamento conformato non fosse all'altezza, l'intero stampo subirebbe un'improvvisa diminuzione della sua capacità di raffreddamento senza alcun preavviso.

Scarica l'elenco di controllo per evitare il canale di raffreddamento conforme e il perno di espulsione, che include metodi di rilevamento delle interferenze e punti di progettazione della sigillatura per aiutarti a evitare conflitti strutturali in anticipo durante la fase DFM dell'attrezzatura per stampi di componenti complessi.

Come ottimizzare il refrigerante e la reologia per la progettazione di stampi a raffreddamento conforme?

L'ottimizzazione del mezzo di raffreddamento per stampo a iniezione con raffreddamento conforme si concentra su tre obiettivi: trasferimento di calore turbolento (Re>4000), controllo della caduta di pressione (Δ P <2-3 bar) e abbinamento del tipo di mezzo in base all'intervallo di temperatura della resina.

Condizione di trasferimento di calore turbolento:

Lo strato limite impedisce il trasferimento di calore nel flusso laminare. Il numero di Reynolds Re deve essere maggiore di 4.000 e si consiglia che Re sia maggiore di 5.000. La rugosità della parete interna del canale d'acqua stampato SLM (Ra ≈ 10 μm) riduce il Re effettivo effettivo e un margine dovrebbe essere riservato nella fase di progettazione.

Controllo della perdita di pressione:

Le piegature del gomito di circa 90 gradi contribuiscono alle perdite aggiuntive del 30-50% della testa. Tecniche utilizzate per ridurre la resistenza al flusso fino a 2-3 bar:

1. Si sconsiglia l'uso di curve a 90 gradi. È meglio rendere il raggio di curvatura uniforme > il diametro del tubo.
2. Utilizzo di più canali d'acqua in parallelo.
3. AFM leviga la parete interna in modo che riduca la rugosità media da Ra 10μm a 1,6μm(si ottiene una riduzione della perdita di flusso di circa il 30%).

Selezione del mezzo di raffreddamento

IATF 16949:2016 per il settore automobilistico sottolinea esplicitamente: le caratteristiche speciali (come l'uniformità del raffreddamento dello stampo) devono essere individuate e governate attraverso il processo FMEA.

Tenendo presente questo aspetto del controllo dello stampo automobilistico, abbiamo incluso ΔT≤3℃ e punto caldo < temperatura stampo +5℃ come caratteristiche speciali in un documento PFMEA per la parte dell'alloggiamento del sensore automobilistico Tier 1. Questo è stato identificato come il motivo principale alla base del tasso di superamento dei primi stampi del 94,8% del progetto contro solo il 62,5% per gli altri progetti che non avevano iterazioni sufficienti.

In altre parole, per le parti complesse del settore automobilistico o medico, il numero di iterazioni delle simulazioni determinerà in definitiva la probabilità che la prova dello stampo abbia successo. Difficilmente risparmierai abbastanza tempo durante la fase di progettazione per giustificare il salto di una o due iterazioni, mentre durante la fase di prova dello stampo dovrai dedicare uno sforzo molto maggiore per risolvere i problemi che sono stati tralasciati.

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Figura 4: Stampo a iniezione industriale di grandi dimensioni in officina.

In che modo JS Precision ha risolto i problemi di deformazione per un alloggiamento di sensori automobilistici utilizzando il design dello stampo di raffreddamento conformato?

JS Precision ha sviluppato e prodotto uno stampo a iniezione con raffreddamento conforme per l'alloggiamento del sensore in PC/ABS di un fornitore automobilistico di livello 1. Hanno ottenuto risultati notevoli: la deformazione è stata ridotta da 0,45 mm a soli 0,12 mm, impiegando molto tempo: il raffreddamento è stato ridotto da 32 secondi a 21 secondi e il tasso di scarto è passato dal 4,2% allo 0,6%.

Le sfide del cliente:

Il fornitore automobilistico di livello 1 ha la necessità di sviluppare uno stampo a iniezione ad alta precisione per un alloggiamento del sensore del vano motore. Il materiale era PC/ABS, le caratteristiche da stampare includono nervature profonde (altezza 35 mm/spessore parete 1,2 mm), numerose sporgenze (diametro 8 mm/altezza 12 mm) e superfici curve asimmetriche.

Ci sono tre problemi principali con uno stampo convenzionale per canali d'acqua Classe 101 forato a pistola: il tempo di raffreddamento richiede 32 minuti, il tempo di ciclo totale di circa 46 secondi, questo riesce a malapena a soddisfare uno dei milioni di obiettivi annuali, una differenza di temperatura di 18 ℃ tra le regioni delle nervature/boss, la deformazione da 0,38 a 0,52 mm dovuta alla differenza di temperatura (limite: 0,20 mm) e un tasso di scarto del 4,2% con il 73% di essi presenta una deformazione eccessiva.

Passaggi chiave della soluzione JS Precision:

• Analisi del flusso di stampo: in base all'analisi di Moldflow, ci sono tre punti caldi (due basi delle nervature, una profonda ciascuna e una sporgenza spessa).

• Decomposizione dell'inserto: l'area conforme è stata divisa in tre inserti separati con cicli conformi indipendenti, il che comporta un ingombro di stampa e un costo inferiori ed è più facile mantenerli aggiornati.

• Disposizione del canale dell'acqua: Tre anelli indipendenti, dimensione di 8 mm con distanza della cavità del canale di 3 mm, spaziatura tra i canali dell'acqua di 28 mm (3,5x il diametro), una sezione trasversale circolare. I punti caldi sono stati coperti a spirale mentre il disegno dritto è stato utilizzato per le restanti aree (non critiche) per ridurre i costi di stampa.

• Coordinamento della struttura dello stampo: la progettazione del canale dell'acqua e il sistema di espulsione sono stati eseguiti insieme, le sovrapposizioni CAD hanno garantito nessuna interferenza tra i progetti. La superficie di accoppiamento dell'inserto e della base dello stampo sono progettate con scanalatura per O-ring con un rapporto di compressione del 20%.

• Produzione additiva e post-elaborazione: MS1 è stato realizzato con EOS M290 e temperato a 52 HRC a 490 ℃ per 6 ore. I canali dell'acqua AFM sono stati lucidati Ra1,6μm. La superficie di divisione è stata sottoposta a elettroerosione a filo. Il raffreddamento conformato dal servizio di stampi personalizzati con lucidatura AFM Ra1,6μm è stato un passo essenziale che garantisce la stabilità a lungo termine dei canali dell'acqua.

Decisioni chiave e lezioni apprese:

Inizialmente, i canali dell'acqua erano posizionati a una distanza di 2,0 mma dalla cavità, il che ha prodotto un inserto MS1 con uno spessore della parete dell'area hot spot di soli 1,8 mm. Le simulazioni strutturali hanno indicato che a una pressione di iniezione di 1.200 bar lo stress sarebbe stato molto superiore alla resistenza allo snervamento di MS1 (1.100 MPa). Il team ha deciso di spostare l'offset a 3,0 mma, il che significava una perdita di efficienza di raffreddamento di circa l'8%. l'integrità è stata assicurata. Questo è uno dei compromessi ingegneristici più comuni: dare priorità alla sicurezza rispetto all'efficienza.

Risultati finali (punti di ancoraggio dati):

• Tempo di raffreddamento: da 32 sec a 21 sec (-34,4%)
• Tempo ciclo totale: da 46 sec a 34 sec (-26,1%)
• Differenza di temperatura: da 18℃ a 3,2℃
• Deformazione: da 038-052 mm a 010-014 mm
• Tasso di scarto: dal 42% allo 0,6%
• Con una produzione annua di 1 milione di pezzi, i tempi di fermo della macchina per lo stampaggio a iniezione consentono di risparmiare circa 4.000 ore

Il vero valore del servizio di stampaggio ad alta precisione non deriva dall'evitare il più possibile la fase di raffreddamento del pezzo, ma dall'identificare la soluzione migliore entro i limiti strutturali della sicurezza del prodotto.

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Come personalizzare il layout ottimale del canale di raffreddamento conformale per i vostri componenti complessi?

La personalizzazione del canale di raffreddamento conforme viene eseguita seguendo un metodo in cinque fasi: identificazione delle caratteristiche geometriche, determinazione delle posizioni dei punti caldi, progettazione congiunta dei canali di raffreddamento e della struttura dello stampo, controllo della stampabilità e verifica dell'iterazione della simulazione. JS Precision richiede solitamente 8 giorni lavorativi.

Panoramica del metodo in cinque fasi

• Analisi delle caratteristiche geometriche e controllo DFM:

Scopri la distribuzione dello spessore della parete (aree con spessore >20 mm, spessore <1,2 mm), il rapporto tra altezza della nervatura e spessore, dimensione dell'estrusione, curvatura della cavità, linea di giunzione. Allo stesso tempo, identificare le posizioni dei perni di espulsione e la disposizione della troncatura.

• Posizione accurata degli hot spot:

Utilizzando i risultati della fase di riempimento e raffreddamento di Moldflow, è possibile determinare la mappa della temperatura e le coordinate dei punti caldi. Le aree in cui la temperatura è superiore a un certo livello sono designate come nodi rigidi che Conformal Cool Channel deve gestire.

• Progettazione del layout del canale cool e coordinamento della struttura dello stampo:

Sviluppare la rete di canali di raffreddamento. Allo stesso tempo, finalizzare il layout della parte dello stampo, verificare ed evitare interferenze tra perni di espulsione/cursori, progettare le posizioni delle guarnizioni O-ring e, dopo aver configurato il canale di raffreddamento conforme, finalizzare la progettazione dell'inserto e della guarnizione. Lo schema di raffreddamento conforme del servizio di progettazione di stampi a iniezione deve essere completato contemporaneamente allo smontaggio dell'inserto e al progetto della tenuta, altrimenti i costi di rilavorazione nella fase successiva saranno estremamente elevati.

• Verifica stampabilità:

Ogni segmento del canale deve essere controllato per rispettare l'angolo minimo dell'asse del canale dell'acqua di 45° rispetto alla piattaforma di stampa, il diametro minimo che si restringe verso il basso da un cerchio con un raggio di almeno 2 mm a 4 mm e il raggio di curvatura di 1 diametro. Altrimenti, torna al passaggio 3 per la correzione. In questa fase viene decisa l'indennità per la post-elaborazione AFM.

• Simula una serie completa di simulazioni di raffreddamento per stato transitorio:

Viene quindi immesso in Moldex3D o Moldflow. Dovrebbero essere eseguiti almeno 5 cicli di iniezione completi. Le condizioni di passaggio sono: ΔT≤3℃, punto caldo < temperatura target dello stampo + 5℃ al gradiente di temperatura della sezione trasversale del prodotto < 15℃ alla sformatura. Sono necessari circa 2-4 cicli per ottenere il risultato.

Risultati dei dati

Sulla base di 212 dati di progetto, è stato riscontrato che i processi standardhanno la capacità di superare una prova di stampo per la prima volta delle parti al 94,8%, diminuendo il numero medio di volte in cui la progettazione è stata ripetuta da 5,2 a 2,3 cicli e riducendo la durata del ciclo di progettazione da 3 settimane a 8 giorni lavorativi. Per la progettazione del raffreddamento conformato di attrezzature per stampi di componenti complessi, un processo standardizzato è più affidabile dell'esperienza delle persone.

Perché scegliere JS Precision come partner per la progettazione di stampi per raffreddamento conformale?

JS Precision è dotata dell'intera catena di produzione dall'analisi DFM, alla progettazione della struttura dello stampo, alla stampa 3D in metallo (DMLS), alla verifica delle prove di stampo. Ha consegnato oltre 200 stampi a raffreddamento conforme, con una media del 28% in meno di tempo di raffreddamento, del 67% in meno di deformazioni e una percentuale di superamento della prova dello stampo per la prima volta del 94,8%.

Competenze principali

• Ciclo chiuso end-to-end: Progettazione concettuale → Analisi DFM → Disassemblaggio dell'inserto e progettazione della struttura dello stampo → Stampa DMLS (EOS M290/MS1) → Trattamento termico → Lucidatura AFM → Lavorazione meccanica di precisione → Verifica dello stampo di prova. Un unico fornitore è responsabile dell'intero flusso, riducendo al minimo i rischi di coordinamento.
• Pensiero ingegneristico orientato alla progettazione dello stampo: Per prima cosa controlliamo la soluzione conforme dal punto di vista di un ingegnere progettista di stampi a iniezione, l'allineamento dei canali dell'acqua con le superfici di divisione, i sistemi di espulsione e i blocchi di scorrimento,piuttosto che puntare semplicemente alla perfezione geometrica dei canali dell'acqua. La soluzione è realizzata in modo tale da poter essere praticamente installata e messa in funzione senza alcuna difficoltà, ed è anche in grado di funzionare senza problemi per un lungo periodo.
• Processo decisionale basato sui dati: presentiamo una previsione del ROI reale durante la fase di preventivo basata su 212 progetti reali, che includevano materiali ABS, PC/ABS, PA66+GF e PEEK, tra gli altri.
• Impegno quantitativo (incluso nel contratto tecnico): ΔT≤3℃, ritiro da raffreddamento 20%, tasso di superamento dello stampo di prova del primo lotto (95)%, revisione gratuita concessa se non soddisfatta.

L'obiettivo di JS Precision quando si tratta di fornire un servizio di attrezzature per stampi a iniezione con raffreddamento conformato non si limita solo alla produzione ma piuttosto al successo di prove di stampo una tantum, che ora è uno standard del settore.

Agisci adesso: invia i tuoi disegni 3D (STEP/IGS), il grado di resina, il volume di produzione annuale e i requisiti di qualità a JS Precision per ricevere una valutazione DFM gratuita, un'analisi del ROI e un preventivo dettagliato entro 48 ore.

Domande frequenti

D1: Qual è il costo incrementale approssimativo di un progetto di stampo di raffreddamento conformale?

Il costo aggiuntivo può essere compreso tra $ 15.000 e $ 50.000 in base alla complessità del componente, al numero di stampi per inserti e alla post-elaborazione richiesta. JS Precision fornirà una ripartizione dei costi durante la fase di preventivo.

Q2: Qual è il periodo di recupero dell'investimento tipico per la progettazione di uno stampo di raffreddamento conformale?

Dipende dal volume di produzione annuale e dal grado di riduzione del raffreddamento. In un progetto standard, il recupero dell'investimento può essere di circa 2,5 anni con una produzione annua di 50.000 pezzi e di circa 1,25 anni per 100.000 pezzi.

Q3: Quali materiali in resina sono adatti per la progettazione di stampi a raffreddamento conformato?

È possibile utilizzare tutte le resine termoplastiche, anche se i vantaggi riguardano principalmente i gradi per iniezione ad alta temperatura come PC, PEEK o PEI. La deformazione di questi materiali derivante da un raffreddamento non uniforme è significativa e il raffreddamento conforme aumenta notevolmente l'omogeneità della temperatura e riduce il tasso di scarto.

Q4: Qual è il diametro minimo per i canali conformi?

Per la stampa diretta su metallo la dimensione minima realizzabile è di circa 4 mm. I canali dell'acqua inferiori a 4 mm sono più difficili da far uscire la polvere e creano un'eccessiva perdita di pressione. Di solito, JS Precision suggerisce canali di dimensioni da 6 a 10 mm, dimensioni maggiori significano più area di contatto per lo scambio di calore, ma ciò si tradurrà in una minore resistenza strutturale di cui tenere conto.

Q5: Gli inserti conformi devono essere separati in moduli indipendenti?

Si consiglia la suddivisione. I moduli riducono la quantità di metallo prodotto in una sola volta e il suo prezzo,quando si tratta di danni, è anche possibile sigillare e/o sostituire facilmente. Ogni modulo ha un circuito autonomo e può essere suddiviso lungo i confini degli hot spot facilitando il rilevamento e la manutenzione degli errori.

Q6: Come prevenire la perdita del mezzo di raffreddamento nei canali dell'acqua Conformal?

Nel punto in cui l'inserto incontra lo stampo, la superficie presenta una scanalatura per l'O-ring il cui livello di compressione è mantenuto tra il 15% e il 25%. Per ingressi/uscite si scelgono tuttavia lamiere piane o guarnizioni coniche.

D7: Come gestire l'interferenza tra i canali dell'acqua conformi e gli estrattori?

Sono disponibili tre opzioni: spostare il perno di espulsione, fare spazio nell'inserto per il canale di raffreddamento o costruire un perno a gradino. JS Precision utilizza il controllo della sovrapposizione CAD per individuare eventuali conflitti nella fase DFM.

Q8: Come ottenere un preventivo da JS Precision?

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Riepilogo

Il design dello stampo di raffreddamento conformato, attraverso canali conformati realizzati con la produzione additiva, riduce il tempo di raffreddamento dello stampo a iniezione del 20-40%, la differenza di temperatura della superficie della cavità di 2 ℃ e la deformazione fino al 90%. Avrai successo quando ti affidi a questi sei principi fondamentali:

• Definizione precisa dei parametri DFM (2-5 mm/6-12 mm/3-5 diametri).
• Sincronizzazione della struttura canale-stampo (evitando la superficie di divisione/evitando il perno di espulsione/separazione dell'inserto/sigillatura dell'O-ring).
• Verifica della reologia (Re>4.000/ΔP<2-3 bar).
• Scegliere un materiale MS1 appropriato (ovvero materiali con ritiro minimo dopo la sinterizzazione).
• Effettuare una simulazione di verifica a circuito chiuso (2-4 arrotondamenti fino a ΔT≤3℃).

JS Precision, con il punto di vista dell'ingegnere progettista di stampi, offre il servizio dell'intero processo che va dall'analisi DFM e il coordinamento della struttura dello stampo, alla stampa DMLS e alla verifica di prova dello stampaggio. Invia i tuoi disegni 3D (STEP/IGS) e l'ambito del progetto a JS Precision adesso ed entro 48 ore riceverai una valutazione di fattibilità DFM e un preventivo gratuiti.

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