NEW MOULD COOLING DESIGN AND SIMULATION FOR HIGH
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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 European Tooling Forum 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 → European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Shape analysis based on thermal analysis results Progettazione reologica dello stampo : analisi termica ed analisi delle deformazioni European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Mould tool surface temperature distribution Distribuzione della temperatura della superficie dello stampo Mould tool thermal tomography Tomografia delle sezioni dello stampo European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Mould temperature distribution tomography at ejection time Tomografia della distribuzione delle temperature nello stampo al momento dell’estrazione European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Analyis of conformal cooling system Analisi di una soluzione con canali conformali European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Traditional cooling system with ejection time 37 sec Canalizzazione tradizionale European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Conformal cooling system with ejection time 37 sec Canali conformali Solid fraction with traditional cooling system Canalizzazione tradizionale European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 Solid fraction with conformal cooling system Canali conformali Surface temperature with traditional cooling system Canalizzazione tradizionale European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 European Tooling Forum Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 Milan 24 – 25 Sept. 2009 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 Milan 24 – 25 Sept. 2009 $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%