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Jun 13, 2023

Refroidissement des moules à injection : retour aux fondamentaux

Bill Tobin | 3 novembre 2019 Nous lisons et entendons beaucoup parler de « percées » dans notre

Bill Tobin 03 novembre 2019

Nous lisons et entendons beaucoup parler de « percées » dans notre industrie : les robots éliminent les opérateurs ; les systèmes d'alimentation automatique ne laissent jamais la machine sécher ; des processeurs de signal et des transducteurs élégants surveillent chaque microseconde du processus de moulage. Avec tous ces gadgets, cependant, voyons-nous plus de profit et un retour sur investissement pour l'argent dépensé ? Pas vraiment, car nous avons été éblouis par la technologie et ignoré les fondamentaux.

Récemment, j'ai reçu un e-mail d'un type qui venait de prendre le poste de technicien principal. Il s'est interrogé sur l'utilisation des refroidisseurs et leur coût. Il s'est également interrogé sur la qualité de ses produits lorsque la fiche de montage utilisait "l'eau de la tour" comme principale source de refroidissement des moules et des machines.

Le problème avec l'eau de la tour

Attaquons-nous d'abord au problème simple mais souvent négligé : l'eau de la tour. Lorsque les gens construisent une usine de moulage pour la première fois, ils décident du nombre et de la taille des machines de moulage et calculent les besoins en énergie et en refroidissement. Ce qu'ils ont tendance à ignorer, c'est ce qui se passe lorsque des machines supplémentaires sont achetées, car cela est couvert par les "marges de sécurité" des conceptions originales.

L'échange de chaleur est nécessaire car :

L'huile de machine chauffée est refroidie directement à partir de la tour. La chaleur du plastique fondu se dissipe d'abord dans l'acier du moule, est transférée aux circuits de refroidissement, puis à l'échangeur de chaleur du moule (généralement appelé Thermolater, bien qu'il existe d'autres fournisseurs) et enfin aux circuits de refroidissement par évaporation de la tour.

Le refroidissement par évaporation dépend de l'évaporation de l'eau. Cela dépend de la température extérieure, de l'humidité relative et d'une foule d'autres variables. Il est évident que lorsque l'air extérieur change, la température de l'eau de la tour change également. À mesure que la température de l'eau de la tour change, la température de votre moule change et les dimensions et la qualité de vos pièces changent.

Une autre raison d'éviter de mettre directement l'eau de la tour dans votre moule est l'accumulation de tartre. Avec de l'eau qui coule à travers un moule, vous avez la configuration parfaite pour l'électrolyse, où les minéraux de l'eau se plaquent sur les conduites d'eau. Seulement 0,4 mm (1/64 po) d'accumulation de tartre peut réduire l'efficacité du transfert de chaleur d'une conduite d'eau de 60 %, même avec un débit adéquat.

Faits amusants sur les températures de distorsion thermique

Premier fait amusant : la température d'éjection idéale pour toute pièce moulée est lorsqu'elle atteint 80 % de la température de déformation thermique (HDT) du matériau. Deuxième fait amusant : Si vous consultez la littérature, aucune HDT de résine thermoplastique n'est si basse que le chiffre de 80 % s'avère être à température ambiante ou moins. Il existe quelques exceptions pratiques : les élastomères à paroi mince ont tendance à se retourner lors de l'éjection. Si les dimensions ne sont pas sacrifiées, si vous "sur-refroidissez" la pièce avant l'éjection, elle peut être suffisamment rigide pour une éjection conventionnelle.

Ces faits amusants soulèvent une question simple : si cela est correct, pourquoi avons-nous besoin de refroidisseurs ? Vous utilisez un refroidisseur pour tenter de remédier à un refroidissement inadéquat dans un moule.

La plupart des moules utilisent un Thermolator pour maintenir la température du moule afin que la pièce puisse atteindre 80 % de HDT aussi efficacement que possible. Gardez à l'esprit que le plastique est un mauvais conducteur de chaleur. La chaleur du plastique rayonne relativement lentement dans l'acier du moule. Les caractéristiques de transfert de chaleur de l'acier du moule et de l'eau dans les conduites de refroidissement sont beaucoup plus rapides.

Le maillon faible de ce système de transfert de chaleur plastique-métal-eau est le débit de l'eau. Lorsque l'eau s'écoule doucement comme un léger courant, elle s'écoule en couches : c'est ce qu'on appelle l'écoulement laminaire. La couche qui est en contact avec quelque chose - les parois de la ligne de flottaison ou le fond du cours d'eau - s'écoulera très lentement. L'eau en haut du ruisseau ou au centre de la ligne de flottaison n'a qu'à glisser sur elle-même et s'écouler plus rapidement. Avec le flux laminaire, la chaleur se transfère très lentement car elle doit chauffer cette couche stationnaire avant que les couches fluides puissent la récupérer et sortir du moule.

L'effet de flux laminaire s'arrête lorsque le débit augmente. Il cesse de couler en couches et commence à tomber sur lui-même. C'est ce qu'on appelle un écoulement turbulent. Avec l'eau qui culbute sur elle-même dans une conduite d'eau, elle capte la chaleur directement de l'acier du moule. L'écoulement turbulent est mesuré avec un nombre sans dimension très complexe appelé nombre de Reynolds qui utilise le volume d'écoulement, la taille du canal d'écoulement, la chaleur de l'eau et la viscosité de l'eau. Au lieu de passer par le calcul, une règle empirique est que 1 gallon par minute (GPM) par circuit vous donnera toujours un flux turbulent dans des situations de moulage normales.

Image : Adobe Stock

Vous pouvez acheter des débitmètres à moindre coût. Accrochez-les en ligne et voyez ce que vous avez. Les résultats pourraient vous surprendre. Voici quelques exemples.

Âge: Comme tout le reste, les thermolateurs et les refroidisseurs s'usent avec le temps. Un Thermolator n'est pas quelque chose dont nous avons tendance à faire l'entretien. Tout d'abord, vérifiez la pression de sortie de votre Thermolator comme indiqué dans son manuel d'utilisation. Dans de nombreux cas, les pompes sont vieilles, fatiguées et incapables de créer suffisamment de pression pour pomper les 1 GPM nécessaires par circuit. Réparer, remplacer ou mettre au rebut l'équipement usé.

Résistance de ligne : Faisons une expérience mentale : vous voulez arroser votre pelouse avant et arrière en même temps. Vous n'avez qu'un seul robinet à l'avant de votre maison. Avec un connecteur en T, vous raccordez un tuyau de 15 pieds pour la cour avant et un tuyau de 75 pieds pour faire le tour de votre maison et dans la cour arrière. Vous mettez deux gicleurs identiques sur chaque tuyau. En allumant l'eau, vous pensez que des quantités égales iront à chaque mètre, mais vous remarquez que l'arroseur de la cour avant tire à plus de 25 pieds dans les airs tandis que l'arroseur de la cour arrière ne tire que sur cinq pieds. Vous vous demandez pourquoi, la même source de pression devrait avoir le même débit. Vous avez oublié l'énergie qu'il faut pour pousser l'eau à travers le tuyau plus long. L'eau empruntera toujours le chemin de moindre résistance. Les lignes de vingt pieds du Thermolator au moule exigent que l'unité travaille plus fort et ne font que rendre votre entreprise de services publics riche.

Connexions

Figure 1 : Dans le meilleur des mondes, chaque cavité dispose d'un refroidissement individuel avec un circuit qui va au collecteur principal de la machine. Toutes les pressions et tous les débits sont égaux.

Les figures 2 et 3 montrent quatre cavités bouclées ensemble. La résistance de chaque chicane s'aggravera sur la prochaine, entravant gravement le débit. la figure 2 montre une boucle externe ; la figure 3 montre une boucle interne.

Les figures 4 et 5 montrent une boucle en échelle. Vous pouvez tomber dans un piège de productivité s'il n'est pas bien conçu (l'une des principales excuses pour utiliser un refroidisseur). Les deux figures vous donnent l'illusion d'un circuit ne refroidissant que deux cavités. La figure 4 montre le "in" et "out" au bas de l'échelle. C'est comme notre expérience mentale. La majorité du débit refroidira les cavités les plus proches de l'entrée. Il deviendra de moins en moins important à mesure que vous vous éloignerez de l'entrée et de la sortie. La figure 5 montre l'entrée en bas et la sortie en haut. Alors que le bas de l'échelle voit une pression d'entrée élevée, il voit également une résistance élevée à la sortie, équilibrant ainsi le débit.

De nombreux moules sont construits avec des circuits courts et longs. Regardez les conceptions de moules et désignez les circuits qui peuvent être bouclés et ce qui ne devrait pas rendre tous les circuits proches du même débit.

Comment documentons-nous les raccordements à la ligne d'eau ? J'ai vu des photographies (difficiles à voir avec plus de huit circuits), des croquis (difficiles à lire) et des descriptions (parfois difficiles à faire). La meilleure solution est de se baser sur la description écrite que vous obtenez pour les indications routières de votre GPS.

Dans la figure 6, vous pouvez voir que le circuit n ° 1 a cinq boucles tandis que le circuit n ° 4 est direct sans aucune boucle. C'est incroyable de voir comment les techniciens pensent qu'ils peuvent mémoriser ces "plans de flottaison". Ils ne peuvent pas.

Un autre "tueur de flux" est si évident que c'en est triste. Si vous avez plus de 15 machines, il y a plus de 80 % de chances que vous trouviez au moins un circuit pincé. Vous avez bouclé deux circuits ensemble avec une longueur de tuyau trop courte, en la pliant brusquement et en la pinçant pour la fermer.

Suivi—éviter les erreurs courantes

Ayez un guide d'installation disponible lorsque vous accrochez un moule et demandez à quelqu'un :

Diamètre de la ligne de flottaison

Réalisant à quel point cela semble idiot, j'ai vu de grands moules refroidis avec des conduites d'eau de ¼ po de diamètre. La physique du nombre de Reynolds et le bon sens vous diront qu'une ligne d'eau de petit diamètre et un chemin complexe, ou un avec plusieurs fontaines ou barboteurs restrictifs, nécessiteront une pression extrêmement élevée pour obtenir un débit de 1 GPM. Une bonne conception de moule vous indiquera également qu'une ligne de refroidissement ne peut refroidir efficacement que dans les trois diamètres de sa paroi extérieure.

Si vous ne pouvez vous souvenir que d'une chose au sujet du refroidissement d'un moule, faites passer le fleuve Mississippi dans le moule. La température est facile à régler mais le débit détermine la température du moule.

Conclusion

Le moulage par injection devrait être à la fois amusant et ennuyeux. Le côté amusant vient avec le processus psychologique pour tout équilibrer. Tous ces efforts doivent venir lorsque vous lancez/qualifiez le moule pour la première fois. Si vous avez bien fait vos devoirs, la partie ennuyeuse est de rester assis et de regarder les bénéfices arriver.

Épilogue

Au bout de quelques e-mails, mon gars a testé et gratté quelques Thermolators usés. Il a demandé à l'ingénieur de réécrire clairement les fiches de processus et les schémas de la ligne d'eau. Lui et son équipage ont poursuivi des chasses constantes et ont trouvé des conduites d'eau pincées.

Les résultats:

En d'autres termes, plus de profits pour moins de travail.

A propos de l'auteur

Bill Tobin a plus de 30 ans d'expérience pratique dans le moulage par injection. Par l'intermédiaire de son entreprise, WJT Associates, il écrit des articles, présente des articles et enseigne des séminaires pour aider les gens à améliorer leurs profits et leur productivité. Il peut être contacté à [email protected].

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