Pourquoi le refroidissement est le plus critique
Le refroidissement représente environ 50 à 70 % de la durée totale du cycle de moulage par injection dans la plupart des opérations de production. Le remplissage prend quelques secondes ; le refroidissement prend beaucoup plus de temps. Si votre temps de cycle est de 30 secondes, 15 à 21 de ces secondes sont consacrées au refroidissement de la pièce jusqu'à une température où elle peut être éjectée en toute sécurité sans distorsion.
Cette proportion fait du refroidissement le principal levier de réduction du temps de cycle. Une amélioration de 20 % de l'efficacité du refroidissement se traduit directement par une réduction de 10 à 14 % du temps de cycle global -, un gain de productivité significatif qui s'accroît considérablement à des volumes de production élevés.
Au-delà du temps de cycle, les conséquences d’un mauvais refroidissement sont importantes. Un refroidissement inégal crée des gradients de température dans la pièce à mesure qu'elle se solidifie. Étant donné que le plastique rétrécit en refroidissant, les zones qui refroidissent plus rapidement rétrécissent plus tôt et plus avant que les zones encore chaudes ne puissent compenser. Ce retrait différentiel est le principal mécanisme à l'origine des défauts de déformation, d'enfoncement et de contrainte résiduelle - qui surviennent lors de l'étape de refroidissement, même lorsqu'ils ne ressemblent pas à des problèmes de refroidissement.
Une étude de 2019 publiée dans leJournal des procédés de fabricationont découvert qu'une répartition inégale de la température du moule était responsable du gauchissement dans environ 67 % des cas étudiés - plus que toute autre variable de conception, y compris l'emplacement de la porte et la pression de compactage.
Principes fondamentaux de la conception des canaux de refroidissement
Diamètre et pas du canal
Le diamètre des canaux de refroidissement et leur espacement-centre à-centre sont le point de départ de toute conception de circuit de refroidissement. Les lignes directrices de l’industrie recommandent :
Diamètre du canal : généralement 8 à 12 mm pour les moules standard. Les diamètres plus petits (6 à 8 mm) conviennent aux petits moules ou aux zones étroitement contraintes ; des diamètres plus grands (12 à 16 mm) apparaissent dans les grands moules industriels ou automobiles.
Pas (espacement-à-centre) : généralement 2 à 3 fois le diamètre du canal. Un canal de 10 mm doit généralement être espacé de 20 à 30 mm.
Le but de ces proportions est une extraction de chaleur raisonnablement uniforme sur toute la surface de la cavité. Lorsque les canaux sont trop espacés, des points chauds se développent entre eux - zones qui restent plus chaudes que la paroi de la cavité environnante et créent des gradients de refroidissement différentiels qui entraînent la déformation.
Distance entre le canal de refroidissement et la surface de la cavité
La distance entre l'axe central du canal de refroidissement et la surface de la cavité la plus proche contrôle l'efficacité avec laquelle la chaleur circule de la pièce en plastique à travers l'acier jusqu'au liquide de refroidissement. La recommandation standard est que cette distance soit égale à environ 1 à 1,5 fois le diamètre du canal.
Pour un canal de 10 mm, la surface de la cavité doit être située à 10 - 15 mm de l'axe du canal. Un placement plus rapproché augmente la vitesse de refroidissement mais réduit l'intégrité structurelle de l'acier entre le canal et la cavité ; un placement plus éloigné réduit l'efficacité du refroidissement et crée des gradients thermiques.
Cet équilibre est particulièrement important dansMoulage par injection d'engrenages de moteurconceptions, où la géométrie complexe des dents d'engrenage et du moyeu central crée des régions nécessitant un refroidissement à différentes distances des surfaces du noyau et de la cavité.
Débit du liquide de refroidissement, turbulence et nombre de Reynolds
C'est le point le plus souvent négligé : il ne suffit pas de positionner correctement les canaux - le liquide de refroidissement doit les traverser à une vitesse suffisante pour créer un écoulement turbulent.
L'écoulement turbulent - caractérisé par un nombre de Reynolds supérieur à 4,000 - transfère la chaleur environ trois à cinq fois plus efficacement que l'écoulement laminaire à même débit volumétrique. La plupart des conceptions de canaux de refroidissement supposent un écoulement turbulent, mais en pratique, les canaux trop longs, trop étroits ou alimentés par des conduites d'alimentation sous-dimensionnées fonctionnent souvent dans des régimes d'écoulement laminaire ou transitoire, réduisant considérablement leur efficacité.
Chaque circuit de refroidissement doit être conçu en tenant compte de la chute de pression totale et du débit. Les limiteurs de débit, les configurations série ou parallèle et le dimensionnement des collecteurs d'entrée/sortie affectent tous la question de savoir si les canaux atteignent réellement la turbulence supposée par les calculs de transfert de chaleur.
Différentiel de température d'entrée et de sortie
La différence de température entre le liquide de refroidissement entrant et sortant d’un circuit est un indicateur direct de la quantité de chaleur extraite. La pratique industrielle vise un différentiel de 3 à 5 degrés. Un différentiel nettement supérieur signifie que le liquide de refroidissement se réchauffe trop lorsqu'il traverse le circuit - les dernières sections du canal fournissent un liquide de refroidissement sensiblement plus chaud au moule, créant un gradient de température le long du trajet d'écoulement qui se manifeste par une déformation directionnelle dans la pièce.
Si votre différentiel d'entrée-sortie dépasse systématiquement 8 à 10 degrés, augmentez le débit ou divisez le circuit en chemins parallèles plus courts.
Défis de refroidissement dans les pièces complexes
Moulage par injection d'engrenages de moteur
Les engrenages présentent un défi de refroidissement spécifique : les dents de l'engrenage sont des éléments fins et rapprochés avec une surface élevée par rapport à leur volume, tandis que les sections du moyeu et de l'âme sont plus épaisses et retiennent la chaleur plus longtemps. Si le refroidissement est appliqué uniformément, les dents refroidissent beaucoup plus rapidement que le moyeu -, créant un retrait différentiel qui déforme l'espacement des dents et le diamètre primitif.
Dans un cadre-bien conçuMoulage par injection d'engrenages de moteur, les canaux de refroidissement sur les côtés du noyau et de la cavité sont positionnés pour extraire la chaleur de manière plus agressive des régions du moyeu et de l'âme, de sorte que ces sections plus épaisses refroidissent à une vitesse qui correspond plus étroitement aux dents les plus fines. Ceci est généralement réalisé grâce à une combinaison de canaux positionnés à proximité de la zone du moyeu et de chicanes ou barboteurs dirigés vers des régions spécifiques du noyau.
Les exigences de tolérance dimensionnelle pour les engrenages fonctionnels - généralement ±0,02 à 0,05 mm sur le profil des dents - rendent l'uniformité du refroidissement essentielle, d'une manière que les pièces purement esthétiques n'exigent pas.
Moulage par injection de coquille de souris
Les coques de souris et les boîtiers électroniques grand public similaires ont des parois relativement fines et uniformes, mais des exigences strictes en matière de finition de surface qui créent des demandes de refroidissement concurrentes. Un refroidissement trop agressif peut produire une surface présentant des marques d'écoulement plus visibles. Un refroidissement insuffisamment uniforme crée un retrait différentiel qui se manifeste par des marques d'évier sur les surfaces cosmétiques, en particulier sur les nervures et bossages internes.
Dans unMoulage par injection de coquille de souris,La stratégie de refroidissement implique généralement une densité de canaux modérée, avec une attention particulière portée aux zones situées directement derrière les surfaces cosmétiques, garantissant que la surface A-visible refroidit à une vitesse constante, quel que soit ce qui se passe derrière elle structurellement.
Pièces en plastique de voiture jouet
Les composants des jouets utilisent généralement de l'ABS ou du PP avec des épaisseurs de paroi de 1,5 à 3 mm, avec plusieurs transitions épaisses-à-fines au niveau des supports de roues, des carters d'essieu et des détails décoratifs de la carrosserie. Le PP a une conductivité thermique inférieure à celle de l'ABS et nécessite des temps de refroidissement légèrement plus longs pour des épaisseurs de paroi équivalentes.
DansMoulage par injection plastique de voiture jouetDans les conceptions, le système de refroidissement doit gérer ces transitions-à-fines tout en maintenant les temps de cycle nécessaires à une production-rentable-de gros volumes. Les chicanes ciblées sur les sections épaisses sont une solution courante.
Refroidissement conforme par rapport aux canaux percés droits conventionnels
Les canaux de refroidissement conformes suivent le contour de la surface de la cavité plutôt que de s'étendre en lignes droites. Fabriqués par fabrication additive métallique (impression 3D) de l'insert de moule, ils peuvent maintenir une distance constante par rapport à la surface de la cavité, même dans les zones où un perçage droit serait impossible.
Les données de performances sont convaincantes :
Une étude de 2020 enPolymèresont constaté que le refroidissement conforme réduisait les temps de cycle de 20 à 40 % en moyenne dans les pièces à géométrie complexe, tout en réduisant simultanément le gauchissement de 30 à 60 %.
Une étude de la Society of Plastics Engineers (SPE) a documenté des cas dans lesquels le refroidissement conforme dans des composants d'emboutissage profond-a réduit les temps de cycle jusqu'à 52 % tout en améliorant suffisamment la précision dimensionnelle pour éliminer une étape d'inspection en aval.
Cependant, les inserts de refroidissement conformes sont nettement plus coûteux à fabriquer -, généralement un coût d'outillage 30 à 80 % plus élevé pour les sections refroidies. Les aspects économiques dépendent du volume de production, de la valeur du temps de cycle et du fait que la géométrie de la pièce l'exige réellement.
Pour la plupart des moules de production standards, les-canaux conventionnels bien conçus, dotés de chicanes et de barboteurs, permettent d'obtenir d'excellents résultats à un coût d'outillage conventionnel. Le refroidissement conforme est particulièrement justifié pour les pièces à contour complexe-d'emboutissage profond-où le perçage droit ne peut réellement pas atteindre les zones critiques.
Erreurs courantes de conception de refroidissement et comment les éviter
Une poignée de décisions de conception expliquent la plupart des défauts-liés au refroidissement en production :
Couverture insuffisante au niveau des sections épaisses : chaque nervure, bossage et zone épaisse locale a besoin d'un canal de refroidissement à proximité - et pas seulement d'une couverture générale dans toute la zone de la cavité.
Circuits de refroidissement trop longs en série : un seul circuit traversant de nombreuses sections de canaux connaîtra une élévation de température excessive de l'entrée à la sortie. Divisez les longs circuits en chemins parallèles plus courts.
Négliger le noyau : le refroidissement côté noyau-est souvent traité comme secondaire, mais pour les pièces présentant une géométrie de noyau importante, le noyau devient le goulot d'étranglement. Les cœurs ont besoin de leur propre refroidissement dédié via des chicanes ou des canaux en spirale.
Refroidissement asymétrique dans les pièces symétriques : si le refroidissement d'une pièce géométriquement symétrique a été redirigé autour d'un élément sur un seul côté, l'asymétrie thermique qui en résulte crée un biais de gauchissement cohérent qui peut ressembler à un problème de matériau ou de processus.
Ce que montre la recherche
LeJournal international des technologies de fabrication avancées(2021) ont constaté que l'optimisation de la disposition des canaux de refroidissement guidée par simulation- réduisait le gauchissement de 43 % en moyenne sur les pièces de produits de consommation, les améliorations les plus significatives étant enregistrées dans les pièces dont le rapport hauteur/largeur était supérieur à 5 : 1.
Ingénierie et science des polymères(2020) ont documenté que le maintien du nombre de Reynolds du liquide de refroidissement au-dessus de 8 000 réduisait le temps de refroidissement de 28 % par rapport aux mêmes canaux fonctionnant à un écoulement laminaire -, confirmant l'importance pratique de l'écoulement turbulent.
Les données de référence SPE ont révélé que le temps de refroidissement représente en moyenne 58 % du temps de cycle total dans une vaste enquête sur les opérations de production, et que l'optimisation du refroidissement est l'investissement d'ingénierie-le plus rentable pour la réduction du temps de cycle dans les programmes établis.
Refonte du système de refroidissement pour un moule d'engrenage de moteur
Un fournisseur européen de composants automobiles rencontrait des problèmes dimensionnels avec un petit engrenage de moteur utilisé dans un ensemble d'actionneurs -, en particulier des mesures incohérentes du diamètre primitif provoquant du bruit dans l'engrenage lors de l'assemblage final. La pièce a été moulée en POM avec une épaisseur de paroi de moyeu de 2,8 mm et une section de dent de 1,4 mm.
Le moule d'origine comportait des canaux-percés droits positionnés symétriquement autour de la cavité, sans attention particulière au différentiel d'épaisseur de moyeu-à-dent. Les mesures de température du moule ont confirmé que la section du moyeu était 12 degrés plus chaude que les sections de dents au moment de l'éjection.
Sunhingstones a repensé le refroidissement côté noyau- : un barboteur central situé à l'extrémité du noyau extrayait la chaleur de la zone du moyeu, combiné à deux déflecteurs positionnés dans la région de l'âme. Cela a ramené la différence de température entre les sections du moyeu et des dents à 3 degrés.
Résultats au lancement de la production :
Variation du diamètre primitif réduite de ±0,04 mm à ±0,015 mm - dans la tolérance requise pour éliminer le bruit de maillage
Temps de cycle réduit de 8 % en tant qu'avantage secondaire d'un refroidissement plus efficace du moyeu
Le taux de rejet dimensionnel est passé d'environ 4 % à moins de 0,5 %
L'ingénieur qualité du client a noté que la refonte avait résolu un problème qui avait été attribué à tort à une variation des matériaux pendant trois mois.
FAQ
Q : Comment puis-je savoir si la conception de mon système de refroidissement est adéquate avant de couper l'acier ?
R : La simulation de flux de moule (Moldex3D, Autodesk Moldflow ou équivalent) modélise la répartition thermique dans la cavité pendant le refroidissement et identifie les points chauds avant tout usinage. La plupart des installations professionnelles des fabricants de moules à injection exécutent l’analyse du flux de moule comme étape de conception standard. La conception de refroidissement guidée par simulation-réduit systématiquement les-taux de défauts du premier coup par rapport à la-règle empirique-de placement des canaux.
Q : Qu'est-ce qui cause les marques d'évier même avec une bonne-couverture des canaux de refroidissement ?
R : Les marques d'évier sur les nervures et les bossages sont presque toujours un problème de refroidissement local. - la couverture du canal semble adéquate sur un dessin, mais il n'y a pas de canal suffisamment proche de la section épaisse spécifique. La peau extérieure se solidifie tandis que l’intérieur est encore liquide ; l'intérieur se rétrécit ensuite de la peau en refroidissant. Le correctif est un canal positionné spécifiquement pour traiter la section épaisse, et pas seulement pour couvrir la zone générale.
Q : Puis-je corriger le gauchissement en ajustant le processus plutôt qu'en modifiant le moule ?
R : En partie. La température différentielle du moule utilisant des circuits d'eau contrôlés par zone et l'optimisation de la pression de maintien peuvent réduire mais rarement éliminer les déformations causées par une mauvaise disposition des canaux de refroidissement. Les ajustements de processus gèrent les symptômes d’un problème de conception de refroidissement plutôt que de s’attaquer à la cause.
Q : Quelle est la température standard du liquide de refroidissement pour les moules à injection ?
R : La température du liquide de refroidissement varie selon le matériau. Points de départ courants : ABS 40 à 60 degrés, PP 20 à 40 degrés, POM 60 à 90 degrés, nylon 60 à 80 degrés, PC 80 à 100 degrés. La température du liquide de refroidissement interagit avec le temps de cycle - des températures plus basses permettent généralement des temps de refroidissement plus courts mais peuvent affecter la finition de surface dans certaines applications.
Q : Le refroidissement conforme vaut-il le coût supplémentaire pour un moule de produit de consommation à grand volume ?
R : Pour les pièces aux contours complexes qui ne peuvent pas être refroidies de manière adéquate avec des canaux conventionnels à des volumes de production élevés, le refroidissement conforme rembourse généralement son coût d'outillage supplémentaire dans les 3 à 12 mois suivant la production. Pour les géométries plus simples où les canaux conventionnels peuvent assurer un refroidissement uniforme, l'investissement supplémentaire n'est généralement pas justifié.
Q : Quelles informations dois-je fournir à une usine de moulage par injection lors de la spécification des exigences de refroidissement ?
R : Temps de cycle cible, tolérances dimensionnelles critiques, exigences de finition de surface sur les surfaces visibles, matériau avec fiche technique et volume de production annuel. Un fabricant de moules à injection expérimenté l'utilisera pour concevoir un système de refroidissement adapté à vos besoins spécifiques et à votre économie.
Obtenez un refroidissement dès la conception et non lors du débogage
La conception du système de refroidissement ne peut pas être efficacement adaptée une fois le moule construit. Les positions des canaux, les diamètres et les configurations des circuits sont usinés dans l'acier à outils, et les modifier après coup coûte cher. Pour bien faire les choses, il faut considérer le refroidissement comme une décision technique principale dès le début du processus de conception.
Chez Sunhingstones, notre processus de conception de moules comprend une simulation-une analyse de refroidissement guidée pour tous les outils -, depuis les applications de moulage par injection d'engrenages de moteur de précision jusqu'aux-boîtiers de produits de consommation à grand volume. Nous documentons les spécifications de performances du circuit de refroidissement et les validons lors des essais de moules avant de nous engager dans la production.
Références et lectures complémentaires
Xu, X. et Sachs, E. "Adaptation des conceptions de systèmes de refroidissement optimales pour la fabrication de canaux de refroidissement conformes." Journal des processus de fabrication, Vol. 38, 2019.
Fernandez, A. et coll. "Analyse expérimentale et numérique du transfert de chaleur dans les canaux de refroidissement conformes pour moules à injection." Polymères, Vol. 12, Numéro 5, 2020.
Wang, Y. et al. "Effet de la disposition des canaux de refroidissement sur le gauchissement et le temps de cycle dans le moulage par injection." Journal international des technologies de fabrication avancées, Vol. 112, 2021.
Nian, SC et coll. "Exploration des facteurs de déformation du moulage par injection à parois minces." Ingénierie et science des polymères, Vol. 60, numéro 6, 2020.
Société des ingénieurs plasticiens (SPE). Division de moulage par injection - Étude de référence sur la composition des temps de cycle. Document technique SPE, 2020.
Dang, XP "Cadres généraux pour l'optimisation des paramètres du processus de moulage par injection plastique." Pratique et théorie de la modélisation de simulation, Vol. 41, 2014.
