NEW MOULD COOLING DESIGN AND SIMULATION FOR HIGH

NEW MOULD COOLING DESIGN AND SIMULATION
FOR HIGH EFFICIENCY
Tommaso Botter, Vero Software
CLUSTERPLAST DISSEMINATION EVENT
& UCISAP TECHNICAL CONFERENCE “Latest Trends on moulding temperatures conditioning control”
September 24th, 2009
TORTONA, ITALY
: today on this screen
The efficiency measurement of the mould tool
conditioning system
La misura dell’efficienza del sistema di condizionamento
dello stampo
The CAD CAE thermal analysis to discover effective
solutions : some real case studies
L’analisi termica CAD CAE a supporto della ricerca di
soluzioni efficienti : alcuni casi reali e virtuali
The economic utility function of the integrated tool design
La funzione di utilità economica della
progettazione integrata
European Tooling Forum
Milan 24 – 25 Sept. 2009
: aims of a cooling system
Extractability
L’estraibilità
Productivity (cycle time optimization)
La produttività (ottimizzazione del tempo ciclo)
Temperature uniformity
L’uniformità
Repeatability
La ripetibilità
Quality : aesthetic, dimensional, functional and geometric
La qualità : estetica, dimensionale, funzionale e geometrica
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Milan 24 – 25 Sept. 2009
The cooling system efficiency depends on the thermal gap between
the fluid temperature and the part temperature target (the mould
temperature is an outcome)
L’efficienza del sistema di condizionamento dipende dal salto termico
tra la temperatura del fluido ed il target di temperatura del pezzo (la
temperatura dello stampo è una conseguenza)
Heat quantity removed by the fluid:
Quantità di calore asportata dal fluido :
Qf = h • Sc • (Ts − Tf )
h = exchange coefficient
Sc = contact surface
Ts = mould tool temperature
Tf = fluid temperature
h = f ( K , Re , N , r )
f
i
Kf = fluid thermal conductivity
Re = Reynolds number
Ni = fluid kinematic viscosity
r = pitch/MinDist
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Design parameters:
Parametri di progettazione:
Channels size → Re
dimensionamento dei canali → Re
Channels position → r
posizionamento dei canali → r
Channels layout → Re
layout dei canali → Re
Channels section → Sc
sezione dei canali → Sc
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Process parameters:
Parametri di processo:
Fluid choice → Kf
scelta del fluido → Kf
Fluid temperature → ∆t
temperatura del fluido → ∆t
Channels discharge → Re
portata dei canali → Re
Channels size : the requirement is a Reynolds number bigger than a
fixed value (3500)
Dimensionamento dei circuiti : la condizione da raggiungere è che il
numero di Reynolds sia maggiore di un certo valore ( > 3500)
Re =
4Q
π •v•D
Q = discharge
v = kinematic viscosity
D = diameter
Small diameters require low discharge but high velocity : the
pressure drop could require a pressures too high for the machine
Diametri piccoli richiedono basse portate ma valori di velocità molto
elevati : la perdita di carico può richiedere pressioni troppo alte alla
centralina
In case of low velocity the fluid permanence time in the tool is long
and then the fluid is subjected to extreme heating and at the end of
the path it is no longer efficient in the heat removal.
Se la velocità è bassa il tempo di permanenza del fluido nello
stampo è alto e quindi il fluido subisce un riscaldamento eccessivo
e alla fine del suo percorso non è più in grado di estrarre calore
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Channles position
Posizionamento dei circuiti :
s
h
•Dmin= 8mm + s
•h = 2d
•i <= h
d
i
Cooling channels far from the part
Canali di raffreddamento distanti dal pezzo
Lower fluid temperature
Fluido a temperatura più bassa
Surface temperature greater uniformity
Maggiore uniformità della temperatura della superficie
Cooling channels close to the part
Canali di raffreddamento vicini pezzo
impossible to achieve stable temperature levels
impossibile rendere stabile il livello di temperatura richiesto
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b
a
Narrowing or changes of direction r
Channels layout
Layout dei canali :
generate pressure drops influencing
the
fluid
discharge
constancy
strozzature o cambi di direzione
generano cadute di pressione che
influenzano la costanza della portata
del fluido
Channels shape
Sezione dei canali :
4
3
2
1
0
10
20
30
40
50
dm3/min
the considered channel dimension is the internal diameter; in case of channels with
a different shape it is relevant the equivalent diameter that is the diameter of a
circular channel to perform the same pressure drop.la dimensione rappresentativa
del canale è il diametro interno; per canali di forme diverse si utilizza il diametro
equivalente ossia il diametro che dovrebbe avere un canale circolare per avere la
stessa perdita di pressione
→
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the perimeter is the thermal exchange area between the fluid and the
mould tool
il perimetro rappresenta l’area di scambio termico tra fluido e stampo per
unità di lunghezza del canale
Process parameters
Parametri di processo:
Fluid temperature
Temperatura del fluido
Costs rising exponentially at the temperature decrease
Aumento esponenziale dei costi per l’uso di temperature molto basse
Temperatures too low related to dew point can potentially condensate →
possible aesthetic defectiveness and oxidation of mould cavities
Temperature troppo basse rispetto al punto di rugiada creano rischi di
condensa → difettosità temporanee nell’aspetto superficiale dei pezzi e
ossidazione della cavità stampo
Fluid choice
Scelta del fluido
Lower fluid temperatures do not always mean bigger heat removal for the
differences in viscosity → bigger velocity to achieve a turbulent flow
Temperature minori del fluido non necessariamente implicano maggiore
rimozione del calore per le differenze di viscosità → alte velocità per
ottenere un flusso turbolento
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Conclusions
The max thermal effectiveness is strongly influenced by the correct interaction
between the design parameters and the process parameters
La massima efficienza termica è fortemente influenzata dalla corretta
interazione tra i parametri di progettazione ed i parametri di processo
The CAD CAE thermal analysis simulates the interaction of both parameters
groups in order to:
L’analisi termica CAD CAE permette di simulare entrambe le tipologie parametri
per:
cycle time minimization
minimizzare il tempo ciclo
channels layout optimization
ottimizzare il layout dei circuiti di condizionamento
suggest design solutions in case of limited cooling uniformity
suggerire soluzioni di progettazione in caso di ridotta uniformità del
raffreddamento
make possible (and easy) the comparative analysis of alternative solutions
by optimizing both the design and the process parameters and their
interaction
rende possibile l’analisi comparativa di n soluzioni alternative di progetto e
di processo
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Case study 1 :
Design of a part with significant
aesthetic issues: a winning
example of thermal analysis
integrated to design
Progettazione di un pezzo con
elevate problematiche estetiche :
un esempio vincente di analisi
termica integrata alla
progettazione
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Issues:
Problematiche:
Design of the shell
Progettazione del guscio (design)
Internal fixed assembly with very strict dimensional tolerances
Assemblaggio interno fisso con tolleranze dimensionali molto
stringenti
Aesthetical (internally glazed)
Estetiche (satinato internamente)
Functional (impossible to be opened)
Funzionali (impossibilità di apertura)
Material : Makrolon Rx1805 (Bayer)
Appearance : colourless transparent
Requirements: high accuracy and
dimensional stability
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Production mould tool design and manufacturing :
identification of non corresponding displacements in the two
shells
Progettazione e costruzione stampo di serie : verificate
deformazioni non corrispondenti in entrambi i gusci
Not complient with the matching
tolerances
Tolleranze di accoppiamento non
rispettate
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Shape analysis based on thermal analysis results
Progettazione reologica dello stampo : analisi termica ed
analisi delle deformazioni
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Mould tool surface temperature
distribution
Distribuzione della temperatura
della superficie dello stampo
Mould tool thermal tomography
Tomografia delle sezioni
dello
stampo
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Process parameters solutions:
Soluzioni attraverso i parametri di processo:
Filling pressure increase
Incremento della pressione di riempimento
Disadvantages : it is likely to find residual
pressures at the end of the cooling time
Svantaggi : possibile presenza di pressioni
residue alla fine del tempo di raffreddamento
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Residual pressure
distribution at the end
of the cooling time
Distribuzione della
pressione residua al
termine del tempo di
raffreddamento
Clamping force slightly over the
requested moulding machine
Forza di chiusura leggermente al
di sopra della pressa richiesta
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Design parameters solutions:
Possibili soluzioni attraverso parametri di progettazione:
Runners balancing
Bilanciamento dei canali di iniezione
Change in the cooling channels layout
Modifica del layout del circuito di raffreddamento
Runners balancing leads to not considerable
changes in results
Disadvantages :
None as the cost of design change is
minimal
Svantaggi :
Nessuno perché i costi della modifica
di progettazione sono minimi
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Conclusions
Matching tolerances issue fixed at the mould tool design stage
Soluzione della problematica delle tolleranze di accoppiamento in
fase di parametri di progetto
The mold tool design automatically acknowledges the
suggestions from the analysis
Il progetto dello
stampo recepisce
automaticamente i
suggerimenti
dell’analisi
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Case study 2 :
Issues:
Impossible to properly cool the deep areas
through traditional cooling lines
Evaluation of costs / benefits of standard
and conformal cooling layout
Problematica:
Impossibilità di raffreddare aree molto
profonde con canalizzazioni
tradizionali
Materiale : Technyl C216 V30
European Tooling Forum
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Thermal analysis of a traditional cooling system with cycle
time 37 sec
Analisi termica di un sistema di condizionamento tradizionale
con tempo ciclo 37s
European Tooling Forum
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Solid fraction at ejection time (37 sec)
Frazione solida al tempo di estrazione
European Tooling Forum
Milan 24 – 25 Sept. 2009
Mould surface temperature at ejection time
Temperatura della cavità al momento di estrazione
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Mould temperature distribution tomography at ejection time
Tomografia della distribuzione delle temperature nello stampo al momento
dell’estrazione
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Cycle time suggested by
simulation : 47 sec
Tempo ciclo suggerito : 47s
Surface temperature distribution
at ejection time (47 sec)
Distribuzione delle temperature
superficiali
Solid fraction at ejection time (47 sec)
Frazione solidificata al momento di
estrazione
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Analyis of conformal cooling system
Analisi di una soluzione con canali conformali
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Traditional cooling system
with ejection time 37 sec
Canalizzazione tradizionale
European Tooling Forum
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Conformal cooling system
with ejection time 37 sec
Canali conformali
Solid fraction with traditional
cooling system
Canalizzazione tradizionale
European Tooling Forum
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Solid fraction with conformal
cooling system
Canali conformali
Surface temperature with
traditional cooling system
Canalizzazione tradizionale
European Tooling Forum
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Surface temperature with
conformal cooling system
Canali conformali
Mould surface temperature
tomography with traditional
cooling system
Canalizzazione tradizionale
Mould surface temperature
tomography with conformal cooling
system
Canali conformali
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Case study conclusions:
Conclusioni:
The thermal analysis allowed qualification of the benefits (reduced cycle
time 10 sec) of the conformal cooling system compared with a traditional
cooling system
L’analisi termica ha consentito di valutare i vantaggi (tempo ciclo ridotto di
10s) della soluzione con i canali conformali rispetto a quella tradizionale
The mould design automatically
acknowleges the suggestions from
analysis
Il progetto dello stampo recepisce
automaticamente i suggerimenti
dell’analisi
European Tooling Forum
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Thermal analysis in itself is not
actually an innovation
L’analisi termica in sé non è una
novità
The innovation lies in the CAD CAE
integration that makes multiple
analyses of comparative solutions
possible within short industry time
frames
La novità consiste nell’integrazione
CAD CAE che rende possibile l’analisi
multipla di soluzioni comparative in
tempi ridotti ed in ambito di
progettazione
European Tooling Forum
Milan 24 – 25 Sept. 2009
Integration of tool design with advanced thermal
analysis
Draft cooling design
Best cooling conditions
Reynolds (turbulence)
Advanced design
European Tooling Forum
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Cavity temperature.
Fluid temperature
Part temperature
The economic utility function of the integrated tool design
Less down-stream rework
Number
of
Engineering
Changes
Exploring
more
ideas
yields
innovation
Low
Cost
EC’s
High Probability of EC
on critical path
High
Cost
EC’s
Today
Integrated
Line
Stops
TTM
Delay
Quote
PHASE:
Release
Detail Design
Sketch Tool Design
Mould trials
Verification
COST TO CHG DESIGN: $100
European Tooling Forum
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$1000
$10000
$100000
: the six trade-offs
At the heart of a successful integrated approach is the scientific ability to
detect in which area a problems lies and document the problems with data, not
personal opinions.
Product
performance
lose 10% of
unit sales
Piece part
design
Material
selection
& material
handling
Product
introduction
four month
later
Plastic
process
conditions
Tool design &
tool
construction
European Tooling Forum
Milan 24 – 25 Sept. 2009
Product cost
exceed by 10%
Expense
exceed by 40%