¿Qué son las líneas de enfriamiento?
Líneas de enfriamiento en aplicaciones de moldes especiales
Llevo 18 años trabajando con moldes. Pasó la primera década en un taller cautivo en Michigan manejando automóviles. Los últimos ocho años realizando consultoría, principalmente en electrónica médica y de consumo. Si hay algo que separa a las tiendas que ganan dinero de las que no, es el enfriamiento. No las cosas sofisticadas que lees en las revistas especializadas. Simplemente un diseño básico y bien pensado de la línea de enfriamiento.
La mayoría de los proveedores de herramientas de moldeo por inyección le dirán que el enfriamiento representa el 60-70% de su ciclo. Ese número flota en la industria como si fuera un evangelio. La cifra real depende del espesor de la pared, la resina y otras quince variables. He visto moldes de embalaje de paredes delgadas-en los que el enfriamiento era del 80% del ciclo. Una vez ejecuté una carcasa de automóvil de sección gruesa donde estaba más cerca del 45%. El punto es que los porcentajes genéricos no te ayudan mucho. Lo que ayuda es comprender el flujo de calor en su parte específica.
Las herramientas de precisión requieren una gestión térmica precisa.
La realidad del taladro-y-conectador
La refrigeración convencional es mediante taladro-y-tapón. Se toma el bloque de molde, se coloca en el molino o en el taladro de pistola y se hacen agujeros rectos. Conéctelos con taladros transversales o mangueras externas. Tapa los extremos que no necesites. Este método funciona. Ha funcionado desde que mi padre estaba en este negocio. Las herramientas son baratas, cualquier taller puede hacerlo y, cuando algo se obstruye, se puede quitar con varilla.
El problema aparece cuando la geometría se complica. Trabajé el año pasado-caja de electrónica de consumo, muchas curvas, pared nominal de 1,2 mm con salientes que bajan a 0,8 mm. El diseñador industrial no tenía ningún interés en lo que realmente podía enfriar. El lado del núcleo tenía quizás 6 mm de acero detrás de la cavidad en tres zonas diferentes. No puedes poner un canal de 10 mm allí. Tampoco se puede poner ahí un canal de 6mm, no con ningún margen de seguridad.
Lo que terminamos haciendo fue un enfoque combinado. Burbujeadores en los núcleos profundos, deflectores donde teníamos suficiente carne y un inserto conformal en el peor punto caliente. La pieza conforme añadió $11,000 al costo de la herramienta. Al principio el cliente no quería pagarlo. Luego les mostramos la diferencia de tiempo del ciclo.
-14 segundos con conformal frente a 22 sin él. Pagaron.
Enfriamiento conformado-Cuando tiene sentido
La impresión 3D en metal cambió este negocio. Hace diez años, el enfriamiento conformal era una curiosidad, algo que uno veía en una feria comercial y pensaba "es genial". Ahora todos los principales fabricantes de moldes de inyección personalizados lo ofrecen, o deberían hacerlo. La tecnología maduró. Los precios bajaron. Los plazos de entrega se volvieron razonables.
Los materiales funcionan. He ejecutado inserciones de acero martensítico MS1 más de 400.000 disparos sin problemas. Las impresiones H13 están mejorando, pero, según mi experiencia, la pulvimetalurgia aún no está preparada para aplicaciones de alto-desgaste. Para núcleos e inserciones de cavidades que no sufren un impacto directo en la compuerta, el acero impreso se mantiene bien.
Aquí es donde la gente se equivoca: creen que conformal significa que puedes enfriar cualquier cosa. No puedes. Los canales todavía necesitan flujo. Veo diseños en mi escritorio con estos hermosos canales de enfriamiento orgánicos que parecen vasos sanguíneos. Muy bonito en CAD. Imposible lograr un flujo turbulento. La caída de presión te mata o el flujo se vuelve laminar y tus tanques de transferencia de calor.
Regla que uso: mantenga la sección transversal-de su canal por encima de un diámetro equivalente de 5 mm, no exceda una relación de aspecto de 4:1 en ninguna sección no-circular y limite la longitud total del circuito a lo que su TCU realmente puede impulsar. La mayoría de las unidades de control de temperatura del taller alcanzan un máximo de 4-5 bar. Su circuito conforme más el colector más las mangueras deben funcionar dentro de eso.
Los deflectores y los burbujeadores todavía tienen su lugar
Antes de llamar a su proveedor de soluciones de enfriamiento de moldeo por inyección para pedirle un inserto impreso de $15,000, considere las opciones de la vieja escuela. Los deflectores cuestan unos 30 dólares cada uno. Burbujeadores, entre 40 y 50 dólares. Los tubos de calor cuestan entre 150 y 400 dólares, dependiendo de la longitud y el diámetro.
Los deflectores funcionan muy bien en núcleos rectangulares. La hoja plana divide el orificio perforado en suministro y retorno. El agua baja por un lado, alrededor del fondo y regresa por el otro. Pierdes algo de capacidad de flujo-cifra entre el 60% y el 65% de lo que te daría un canal abierto. Para la mayoría de las aplicaciones eso es suficiente.
Modo de falla común
El modo de falla lo veo con mayor frecuencia en los deflectores: los chicos perforan demasiado profundo, el deflector toca fondo y el flujo se restringe en la punta. Deje un espacio de 3 a 4 mm en la parte inferior. Más si la calidad del agua es cuestionable y espera acumulación de sarro.
Los burbujeadores son mejores para núcleos redondos. La disposición de tubo-en-tubo le proporciona más superficie que un deflector en un orificio del mismo diámetro. La desventaja es que son más sensibles a la tolerancia dimensional. El espacio anular entre el tubo interior y el orificio exterior controla el flujo de retorno. Demasiado apretado y matas de hambre al circuito. Demasiado flojo y toda el agua hará un cortocircuito-a través del espacio sin llegar a la punta.
Elecciones materiales de las que nadie habla
Todos los folletos de servicios de fabricación de moldes de precisión mencionan el enfriamiento conformado. No muchos hablan de la selección de materiales para el rendimiento de refrigeración.
Las plaquitas BeCu existen desde siempre. Conductividad térmica alrededor de 105 W/m·K frente a 29 del H13. Ese es un gran número. En un punto caliente donde físicamente no es posible acercar el agua lo suficiente, un inserto de aleación de cobre puede salvar el trabajo. Los he usado detrás de nervaduras finas, en cuerpos de levantadores, en núcleos pequeños donde no cabe un burbujeador.
El problema es el desgaste. BeCu ejecuta quizás 35-38 HRC después del tratamiento térmico. No vas a abrir una puerta directamente hacia él. No vas a pasar nailon relleno de vidrio a través de él durante un millón de ciclos. Pero en lugares protegidos donde sólo necesitas calentar, funciona.
Las herramientas de aluminio están subestimadas para la aplicación correcta. Un cliente del sector médico vino a verme en busca de prototipos de moldes; se esperaban volúmenes de alrededor de 50.000 piezas por año y una vida útil del producto de tres-años. Las cotizaciones que tenían para las herramientas P20 eran -plazos de entrega increíblemente largos, costos elevados y quedarían obsoletos antes de desgastarse. Hicimos los núcleos y las cavidades en aluminio QC-10 por aproximadamente el 40% del precio del acero. Los tiempos de ciclo fueron de 12 segundos frente a los 18-20 que estimamos para el acero. Tres años después, esas herramientas siguen funcionando. Poco desgaste en la línea de separación, nada que afecte la calidad de la pieza.
El control de temperatura se vuelve complicado
Los moldes simples ejecutan un circuito de enfriamiento por mitad. Agua entra, agua sale y listo. Los moldes especiales-y yo pondría la mayor parte de lo que pasa por mi escritorio estos días en esa categoría-necesitan múltiples zonas.
Un consultor de ingeniería de moldes de inyección con el que trabajo tiene un dicho: cada punto crítico necesita su propia respuesta. A veces esa respuesta es más fluida. A veces es agua más fría. A veces es un cambio material. A veces es aceptar un ciclo más largo y seguir adelante. La cuestión es que no se puede tratar un molde como una masa térmica uniforme.
El control en cascada ayuda. Su TCU monitorea la temperatura del molde a través de un termopar y ajusta el flujo o la posición de la válvula mezcladora para mantener el punto de ajuste. Funciona bien para un estado-estable. No ayuda mucho con el transitorio-ese estallido de calor cuando el plástico a 300 grados golpea la cavidad, luego el enfriamiento gradual-y luego otro estallido. La masa térmica del acero hace la mayor parte del trabajo alisándolo.
La variotermia es real pero cara. La temperatura de la superficie del molde aumenta cíclicamente antes de llenarla y luego la baja rápidamente para enfriarla. Lo he visto eliminar líneas de soldadura en piezas de alto brillo-. También lo he visto agregar $80,000 a un programa de herramientas y seis meses de tiempo de desarrollo. Para la aplicación correcta-interior de automóvil Clase A, dispositivo médico sin-requisito cosmético de defectos-, podría ser un lápiz. Para la mayoría de los trabajos, no es así.
Lo que realmente importa
Después de todos estos años, esto es lo que les digo a los ingenieros más jóvenes: primero comprendan bien los conceptos básicos. Mantenga sus líneas de flotación dentro de 2D de la superficie donde pueda. Ejecute suficiente flujo para mantenerse turbulento. No permita que los circuitos se alarguen tanto que el aumento de temperatura lo mate: un delta máximo de 10 grados desde la entrada hasta la salida es un buen objetivo. Equilibra tus circuitos para que todos vean una restricción similar.
Haga esas cosas y resolverá el 80% de sus problemas de refrigeración. El otro 20% es donde ocurre el trabajo interesante. Ahí es donde puede que necesites conformal, cobre, variotermal o alguna combinación que nadie haya probado antes.
Las herramientas existen. Los proveedores existen. El conocimiento existe. Lo que marca la diferencia es tomarse el tiempo para pensar en el flujo de calor en su pieza específica, su molde específico, su proceso específico. Ninguna simulación reemplaza eso. Ninguna regla general cubre todos los casos. Tienes que hacer el trabajo.
Veinte-tres años en este oficio y todavía estoy aprendiendo. Esa es la mejor o la peor parte, dependiendo del día.