nekonvencni temperace2 - Katedra strojírenské technologie

Temperační prostředky, část 8, díl 5, kapitola 5.5
Kapalné CO2 (Tool-Vac technologie)
Technologie Tool-Vac je nový intenzivní způsob temperace vstřikovacích forem vyvinutý
německou firmou Foboha Werkzeugbau GmbH. ve spolupráci se švédkou firmou AGA Gas
AB. Způsob chlazení je založen na odpařování kapalného CO2 přiváděného zpravidla do
speciálních mikroporézních ocelových částí vstřikovací formy značky „Toolvac-Stahl“ (např.
ocel TVBX 03) nebo popřípadě do „konvenční“ vstřikovací formy, resp. do jejího expanzního
prostoru. V obou případech je kapalný oxid uhličitý přiveden v časových impulsech (tak aby
bylo dosaženo žádané teploty nástroje) ze zásobníku do formy trubičkami o světlosti
0,3÷0,5mm, kde proniká póry (v případě opatření tvarové dutiny formy mikroporézní ocelí) a
současně expanduje. Vzniklé výparné teplo umožňuje rychlý odvod tepla z chlazeného
výstřiku. Při temperování „konvenční“ vstřikovací formy je kapalný CO2 přiváděn taktéž do
expanzního prostoru, kde dochází k jeho odpařování. Avšak narozdíl od mikroporézní oceli,
nemůže oxid uhličitý být veden stěnou oceli a k přenosu tepla tak slouží jen povrch stěn
expanzního prostoru. V obou dvou případech vyžaduje chladící okruh zásobník na CO2
s kompresorem, který bývá umístěn vně vstřikovny. Proces je řízen přístrojem umístěným ve
formě. V případě uzavřeného okruhu se vrací plynný CO2 k novému zkapalnění.
Schéma a princip chlazení kapalným CO2
a)
b)
řídící a kontrolní
jednotka
zásobník
CO2
vstřikovací forma
c)
povrchová vrstva
struktura Tool-Vac
oceli
a) schéma příslušenství
b) schéma chlazení ve vstřikovací formě
c) struktura Tool-Vac oceli
Proces získání kapalného CO2
Pro technické aplikace je kapalný oxid uhličitý získáván z plynných směsí obsahující uhlík
nebo jako vedlejší produkt z četných chemických procesů. Standardní metoda zpracování CO2
z kvasného procesu je založena na průchodu plynné směsi obsahující CO2 tzv. „pračkou“,
kde je zbavena pevných částic a těžších uhlovodíků, komprimována a vedena do čistícího
zařízení. Zde je na aktivním uhlí a oxidu hlinitém zbavena nežádoucích příměsí a vodní páry.
Čistý oxid uhličitý je pak potrubím veden do zkapalňovače k ochlazení a převedení do
kapalné fáze. Oxid uhličitý sublimuje za obyčejného tlaku při teplotě –75,5oC. Zkapalněný
plyn je skladován v zásobnících, v tlakových lahvích nebo v tzv. „minitancích“, které jsou
v současnosti novou koncepcí pro přepravu a skladování kryogenních plynů.
Příklad impulsního řízení přívodu kapalného CO2
poloha ventilu
otevřen
zavřen
čas [s]
uzavření formy vstřikování
uzamčení formy dotlak
chlazení
vyhození výstřiku
otevření formy
Mikroporézní ocel
Výroba speciální mikroporézní oceli je koncipována do třech fází: zhutnění práškového
materiálu v požadovaný tvar pomocí izostatického lisování za studena, slinování (spékání) a
kalení. Slinování je děj velmi složitý. Dochází při něm k vypuzení adsorbovaných vodních
par, plynů, stop mazadel z povrchu zrníček na začátku slinování, apod., k redukci kysličníků a
jiných nekovových sloučenin obalující práškový kov a bránící tak přímému styku kovu a
oslabující pevnost výlisků docílenou samotným lisováním, k různým formám difúze a
migrace atomů, k rekrystalizaci (k ostranění zpevnění materiálu vzniklého lisováním), relaxaci
pružných napětí, k spojování a sféroidizaci pórů, k smršťování nebo růstu objemu výlisku,
k tvorbě slitin a sloučenin, k fázovým změnám aj. Výsledkem slinování je výlisek s výrazně
lepšími fyzikálně-chemickými a mechanickými vlastnostmi (vysokou a rovnoměrnou tvrdostí)
vyznačující se homogenní strukturou bez koncentrace napětí, dobrými vlastnostmi tepelného
zpracovaní a dobrou leštitelností. Při konstrukčním návrhu jader vyrobených práškovou
metalurgií je nutné zohlednit tu skutečnost, že spékaný materiál dosahuje sice obdobné
pevnosti jako běžná cementační ocel, avšak s vyjímkou pevnosti v ohybu.
Konstrukce tvarové dutiny vstřikovací formy z mikroporézní oceli
Vzhledem ke struktuře tvarové dutiny vstřikovací formy z mikroporézní oceli nedosahuje
povrch vstřikovaného dílce dokonalého lesku, a to ani tehdy, je-li je ocel leštěna diamantovou
pastou, čímž lze také negativně ovlivnit prodyšnost povrchu mikroporézní oceli jejím
snížením až o 30%. V případě, že z vzhledových důvodů nedovoluje výstřik přímý styk
s mikroporézní ocelí, jsou mikropóry utěsněny mechanicky nebo pomocí plastu a odpařený
CO2 se odvádí vrtanými kanály.
Možnosti utěsnění pórů
a)
b)
a) mechanickým obráběním
b) pomocí aditiv
c) pomocí vysoké teploty temperace
c)
Výhody, nevýhody a aplikace způsobu temperace kapalným CO2
Chlazení pomocí kapalného oxidu uhličitého se používá zpravidla ve vzájemné vazbě s
temperačními kanály pro chlazení v tlustostěnných oblastí vstřikovaného dílce, tedy
v oblastech, v nichž hmota chladne nejpomaleji. Příkladem vhodné aplikace je temperace
v tlustostěnné části vstřikovaného dílce technologií GIT (technologií vstřikování s následným
přívodem plynu). Použitím této metody lze ve srovnání s klasickou metodou chlazení pomocí
temperačních kanálů dosáhnout snížení doby chlazení představující rozhodující část
vstřikovacího cyklu a to až dle praktických výsledků o 40%. Metoda je vhodná také pro
temperování dlouhých tvárníků, tenkých můstků (např. u skříně světlometu) a tvárníků o
velkém průměru. Mezi přednosti této metody temperace nástroje patří tedy snížení doby
chlazení, resp. doby cyklu a zvýšení produktivity výroby, ale také rovnoměrné rozložení
teplot na povrchu tvářeného dílu, vyšší kvalita povrchu výstřiku, flexibilní možnost umístění
trubiček pro přívod kapalného CO2 a tím odstranění mnohdy složité konstrukce temperačních
kanálů, účinné chlazení tlustostěnných částí výstřiku, rychlá návratnost pořizovacích nákladů
na technologii a formu, možnost využití pórovité oceli k odplynění výstřiků, apod. Naopak
nevýhodou této metody jsou dodatečné operace k zajištění vysoké jakosti povrchu (lesku)
vstřikovaného dílce, vysoké požadavky na zajištění čistoty při montáži nástroje, ošetřování
nástroje konzervačními prostředky při výrobních prostojích, únik CO2 do okolí v případě
otevřeného chladícího okruhu , apod.
Aplikace chlazení CO2 u konvenční oceli
1
2
1- kapilární trubička pro přívod kapalného CO2
2- expanzní prostor
Ranque-Hilsch vírová trubice
Způsob temperace vstřikovacích forem pomocí vírových trubic, využívající stlačeného
vzduchu jako zdroje síly při chlazení nebo ohřívání, se na poli vstřikování ještě zcela
neuchytil a v plastikářském průmyslu patří bezesporu mezi nestandardní temperační
prostředky. Jedná se o konstrukčně jednoduché zařízení, které pro chlazení nebo ohřev
využívá obyčejného stlačeného vzduchu, jež je upravován do dvou vzduchových proudů
(horkého a studeného). Při experimentální činnosti s vývěvou objevil již v roce 1928 toto
zařízení zcela náhodně francouzský student fyziky Georges Joseph Ranque, když najedné ze
stran vývěvy zpozoroval horký a na druhé studený výfuk. V době vynálezu se však vírová
trubice příliš neuplatnila. Asi kolem roku 1945 ji znovu připomenul německý fyzik Rudolf
Hilsch, odtud název Ranque-Hilsch vírová trubice. Již slavný fyzik 19-tého století James
Clerk Maxwell řekl, že teplo není nic jiného něž pohyb molekul, a v budoucnu tak bude
možné pomocí „přátelského, malého démona“ získat současně horký a studený výfuk
z jednoho zařízení. Maxwell se tak příliš nemýlil, když hovořil o “tzv. malém démonu”
potřebného k rozdělení studených a horkých molekul vzduchu.
Princip vírové trubice není ani dnes v odborném světě zcela jednoznačně definován. Existuje
přitom mnoho teorií činnosti vírové trubice. Od doby vynálezu bylo uveřejněno značné
množství článků, které se snaží vysvětlit její funkci. Zatím se to zcela nepodařilo a z hlediska
fyziky je stále záhadná. Všeobecně uznávaný výklad teorie říká, že tangenciálně vrtaný
stacionární generátor nutí přiváděný stlačený vzduch o tlaku 0,4 až 0,7 MPa rotovat trubicí
podél vnitřní stěny směrem k horkému řídícímu ventilu (až 1.000.000 ot/min). Z praxe jsou
rovněž známa měření, kdy do trubice byl místo vzduchu pouštěn jiný plyn a trubice opět
pracovala. Část vzduchu vystupuje přes jehlový ventil jako horký výfuk vzduchu a zbývající
část je tlačena zpět středem proudu vzduchu, kde se točí, pohybuje pomalu a koná přirozenou
výměnu tepla. Vnitřní sloupec vzduchu nechá teplo vnějšímu a vystupuje studeným výfukem.
Množství a teplota studeného nebo horkého výfuku je řízena řídícím ventilem na horkém
výfuku vzduchu. Maximální a minimální dosažitelná teplota vírovou trubicí je udávána
127oC, resp. –46oC. Pokud je tlak stlačeného vzduchu nižší než běžně používaný 0,6 MPa,
sníží se také chladící výkon trubice. Vírová trubice pracuje i při přetlaku ca. 0,1 MPa, avšak
s malým účinkem. Vliv má samozřejmě i teplota vstupujícího vzduchu. Čím je tato teplota
vyšší, tím vyšší je také teplota na studeném konci trubice.
Schéma a princip činnosti vírové trubice
studený
výstup
(až -46oC)
stlačený vzduch
řídící ventil
(0,4÷0,7 MPa, 21oC)
horký výstup
(až 127oC)
stacionární generátor
generátor
STUDENÝ
VÝSTUP
přívod stlačeného
vzduchu
řídící ventil
HORKÝ VÝSTUP
Jakkoli se oba vzduchové proudy (vnější a vnitřní) pohybují proti sobě, rotují ve stejném
směru se stejnou úhlovou rychlostí, tzn. otočení částice ve vnitřním sloupci vzduchu bude ve
stejném časovém okamžiku shodné s otočením částice na vnějším sloupci vzduchu. Podle
zákona o zachování úhlového momentu by se však vnitřní sloupec vzduchu musel točit
rychleji, avšak při stejné úhlové rychlosti úhlový moment a energie vnitřního sloupce
vzduchu klesá (přechází na vnější sloupec vzduchu), čímž dochází k jeho ochlazování,
zatímco vnější sloupec vzduchu je ohříván.
Výhody, nevýhody a aplikace vírové trubice
Vírové trubice byly úspěšně nasazeny v mnoha průmyslových aplikacích, v oblasti
plastikářské technologie především pro chlazení vstřikovacích forem, při vytlačování PVC
hadic, gumy, vytvrzování lepidel, chlazení vyfukovaných plastových nádob, chlazení spoje po
svařování plastových sáčků, apod. Výhodou vírových trubic je především jejich neomezená
možnost aplikací v průmyslové praxi (existuje více jak 1000 aplikací) a to nejen v oblasti
plastikářského průmyslu, ale také v oblastech chlazení nástrojů při obrábění, tváření, apod.
Dalšími výhodami je okamžitý náběh chlazení nebo ohřívání, ekologický provoz, vysoká
spolehlivost a jednoduchá údržba, nízká cena, apod. Rovněž tak lze mezi výhody použití
vírové trubice řadit i tu skutečnost, že při konstantním vstupním tlaku a teplotě stlačeného
vzduchu, je možné teploty horkého nebo studeného výfuku udržet během provozu ve velmi
nízké toleranci ±0,56oC. Vzhledem k vysokým otáčkám vzduchu, které dosahují i rychlosti
zvuku, je hluk při provozu vírové trubice jednou z nevýhod. Z tohoto důvodu bývá na studený
konec montován tlumič hluku.
Aplikace vírové trubice
a) chlazení výlisku palivové nádrže
b) chlazení spoje po svařování sáčků
stlačený vzduch
výlisek
kryt zařízení
svařovací
lišta
vírová trubice
vírové trubice
přívod vzduchu
držák
PE - fólie
chladící
trubice
Tepelné vložky
Problematika tepelných vložek v oblasti temperování vstřikovacích forem je aktuální a
používá se v různých místech vstřikovací formy jako jsou čelisti, tepelně namáhané oblasti,
výztužná žebra a tudíž u většiny tvarově složitějších výstřiků, které se obtížně temperují,
zejména tenké výstupky a dlouhé tvárníky. Vložky z vysoce tepelně vodivého materiálu (na
bázi slitin Cu, Co, Be, apod.) ve většině případů doplňují temperační systém s aktivním
temperačním prostředkem - nucenou konvekcí vody.
Použitím vložek z vysoce tepelně vodivého materiálu v blízkosti tvarové dutiny formy, lze
docílit rovnoměrně zvýšeného odvodu tepla ve vstřikovací formě (zejména při nižších
teplotách temperace) tak, aby bylo zajištěno rovnoměrné teplotní zatížení nástroje i výrobku
v celém objemu najednou se souběžným zvýšením produktivity práce. Na základě
experimentálního výzkumu, lze konstatovat, že použitím vzájemné vazby aktivního
(cirkulující médium v temperačních kanálech) a pasivního temperačního prostředku (vložek
z vysoce tepelně vodivého materiálu) dojde k vyrovnání teplot v celém objemu výrobku ve
stejném čase, zmenšení rozdílu teplot ve vstřikovací formě, k zvýšení podílu krystalické fáze
optimálním průběhem krystalizace při vstřikování semikrystalických termoplastů. Další
nespornou výhodou takovéhoto způsobu temperace je lepší zatečení taveniny v „zadních“
místech výstřiku bez místních studených spojů, a také zkrácení celkové doby cyklu až o 25%.
Chlazení jádra s tepelnou vložkou
1 – tvárnice
2 – tvárník
3 – základová deska
4 – tepelná vložka
1
4
2
3
VSTŘIKOVACÍ FORMA S DESKOU Z VYSOCE TEPELNĚ VODIVÉHO MATERIÁLU
a.)
b.)
2
3
1
a.) pohled zepředu – tvarová dutina formy,
b.) pohled zezadu – temperační kanály
1- deska pohyblivé části nástroje s tvarovou dutinou, 2- deska pohyblivé části
nástroje s temperačním kanálem, 3- deska z vysoce vodivého materiálu
(P2x180x210-ČSN 42 3000)
Rozdíl teplot ve vstřikovací formě při použití tepelných vložek v nástroji
T [oC]
∆T
1... průběh teploty ve formy bez tepelné vložky
2... průběh teploty ve formy s tepelnou vložkou
materiál: kopolymer polypropylénu
Hostacom M2 R03
vstřik
otevření formy
Tmax
TFo
Tmin
t [s]
tch
tc
Tmax – maximální teplota formy, Tmin – minimální teplota formy, TFo – teplota formy při otevření, tch – doba chlazení,
tc – doba cyklu
Ovlivnění odvodu tepla z formy lze docílit nejen pomocí vložek z vysoce tepelně vodivých
materiálů, ale také nástřiky z těchto materiálů na povrch tvarové dutiny formy. Mechanické
vlastnosti těchto vrstev jsou však nižší než u nástrojových ocelí a dochází k jejich rychlému
opotřebení.
Systém CONTURA
Temperační systém obchodního označení CONTURA (vyvinutý firmou Innova Zug GmbH.Engineering) je účinný chladící systém s temperačními kanály sledující obrys tvarové části
dutiny vstřikovací formy a usnadňující výrobu chladících kanálů s různým průřezem. Řešení
spočívá v rozdělení tvárníku do dvou nebo více vrstev, na jejichž stykových rovinách lze pak
snadno obrábět temperační kanály, a přizpůsobit je tak obrysům výstřiku. Vrstvy se ukládají
na sebe a spojují se speciální spojovací technikou pájením natvrdo v podtlaku (ve vakuu) tak,
aby vznikl vzduchotěsný spoj a tím homogenní tvarová část vstřikovací formy. Pájené
součásti jsou kovově lesklé a čisté. Při pájení ve vakuu nejen že nedojde ke vzniku
nadměrného množství plynů v roztavené pájce ve spoji, ale naopak dochází k odplynění
spojovacího materiálu a tím ke zlepšení jakosti spoje. Pájení probíhá v tomto případě bez
účasti tavidla, a proto je možné volit podstatně menší mezery ve spoji (0,01 až 0,1mm).
Kapilární tlak pájky je při této technologii tak velký, že všechny mezery ve spoji jsou
dokonale vyplněny pájkou. Tvrdé pájky (narozdíl od měkkých pájek) se používají pro spoje
pevnostně a tepelně namáhané, jímž tvárník vstřikovací formy bezesporu je. Pájení ve vakuu
se pak především uplatňuje při spojování tenkostěnných součástí složitých tvarů. Volba
vhodného typu a druhu pájky se řídí různými užitnými vlastnostmi pájené součásti. Pájka
nesmí obsahovat prvky, které mají při teplotě pájení vysoký odpařovací tlak (Zn, Cd, K,
apod.). Výhodné jsou pájky z čistých kovů s vysokou teplotou tání nebo pájky na bázi niklu a
drahých kovů. Hlavními složkami těchto pájek jsou běžné nebo drahé kovy.
Technologický postup pájení ve vakuu, lze rozdělit do následujících kroků:
q
uložení dílů do vnitřního prostoru pece a jeho uzavření,
q
vyčerpání vzduchu z pece na tlak podle druhu základního materiálu,
q
odplynění ohřívacích těles, obložení pece a vsázky a jejich ohřev na pájecí teplotu,
q
pájení, popř. doplňkové tepelné zpracování,
q
ochlazení ve vakuu na teplotu přibližně 800oC a následující umělé ochlazování,
q
vyrovnání podtlaku ve vnitřním prostoru pece s atmosférickým tlakem- zavzdušnění pece,
q
otevření pece a odvoz pájených předmětů.
Temperační systém CONTURA u vstřikované nádoby
Konstrukční řešení vstřikovacího nástroje pro spínač z PP
a)
b)
a) běžný způsob temperace tvárníku a tvárnice vstřikovací formy
b) temperace tvárníku a tvárníce systémem „Contura“
Výhody a nevýhody temperačního systému CONTURA
Předností tohoto systému temperace je rychlý a rovnoměrný odvod tepla z formy snižující
dobu pracovního cyklu v závislosti na konstrukčním řešení výrobku až o 30%. Rozložení
teplotního pole v okolí výstřiku, tak jak znázorňuje níže uvedený obrázek, je při tomto
způsobu temperace vstřikovacích forem výrazně lepší, než při běžné temperaci
s temperačními kanály a cirkulujícím teplonosným médiem a to i tehdy, byla-li provedena
optimalizace velikosti průřezu a rozložení temperačních kanálů ve vstřikovací formě.
Zkracuje se rovněž záběh formy a zlepšuje se i kvalita výstřiku. Značnou nevýhodou tohoto
způsobu temperace jsou vzhledem k běžnému chlazení s temperačními kanály vyšší náklady
spojené s výrobou formy.
Je zřejmé, že s ohledem na vlastnosti výstřiku by ochlazování mělo probíhat ve všech místech
vstřikovací formy rovnoměrně, stejnou rychlostí. To však závisí na provedení temperačního
systému a na rozložení teplotních polí v nástroji. V ideálním případě, kterého v praxi
v důsledku velmi rychlých časových změn teploty nelze dosáhnout, by měl mít výstřik
v průběhu ochlazování v každém časovém okamžiku ve všech místech vrstvy se stejnou
vzdáleností od povrchu stejnou teplotu. Nehomogenní teplotní pole na povrchu výstřiku a
v dutině formy, má za následek nebezpečí vzniku rozměrových a tvarových úchylek výstřiku,
tak jako nebezpečí změn vlastností vlivem vysokého rozdílu teplot mezi jednotlivými
oblastmi výstřiku.
Rozložení teplotního pole v tvarové dutině vstřikovací formy
a)
b)
c)
a) uspořádání vrtaných temperačních kanálů kolem tvarové dutiny bez optimalizace
b) počítačem optimalizované uspořádání temperačních kanálů kolem tvarové dutiny
c) optimalizované uspořádání temperačních kanálů chladícího systému CONTURA
autor:
Ing. Luboš Běhálek
Technická univerzita v Liberci
Katedra strojírenské technologie, Oddělení tváření kovů a plastů
PUBLIKOVÁNO JAKO:
BĚHÁLEK, L.: Speciální temperační prostředky, In SOVA,A. - KREBS,J.:
Termoplasty v praxi, Verlag Dashöfer, Nakladatelství spol. s r.o., Praha,
s.12, 2004, ISBN 80-86229-15-7