Variación n de las temperaturas en el ciclo

Transcripción

1 Análisis térmico t de la inyección Variación n de las temperaturas en el ciclo Juan de Juanes Márquez M Sevillano

2 Interés s del control de temperatura del molde Una de los parámetros más m s importantes a controlar durante la inyección n es la evolución n de la temperatura de la masa y del molde. Un ajuste correcto de la evolución n de la temperatura permite: Reducir los costes de las piezas. Conseguir contracciones uniformes. Obtener la calidad superficial de la pieza exigida. Alcanzar las características mecánicas adecuadas en todas las partes de la pieza.

3 Temperatura del molde La temperatura del molde se refiere a la temperatura de las paredes del molde. Es un parámetro sobre el que puede actuarse durante el proceso y que debe ser tenido en cuenta en el diseño del molde al diseñar el sistema de enfriamiento. Los objetivos que debemos considerar en el diseño o del sistema de enfriamiento son: La temperatura media del molde debe mantenerse en un rango lo más reducido como sea posible. La temperatura debe ser lo más uniforme como sea posible a lo largo de todos los puntos del molde. El tiempo de ciclo debe ser lo más corto como sea posible.

4 Variación n de la temperatura del molde La temperatura del molde en un punto determinado varía a a lo largo del ciclo de inyección. n. Inyección Desmoldeo ϑ WE = Temperatura desmoldeo ϑ W = Temperatura molde t ciclo = Tiempo de ciclo El sistema de enfriamiento influye en la variación n de la temperatura. La temperatura desciende más m s rápidamente r después s del desmoldeo (molde abierto).

5 Variación n de la temperatura del molde La temperatura máxima m es función n de la permeabilidad térmica: bw. ϑw min + bm. ϑm ϑ W max = b = ρ. λ. c b + b W Material M Permeabilidad W s 1/2 m -2 deg -1 Berilio (BeCu 25) 17, Acero no aleado (C 45 W 3) 13, Acero al cromo (X 40 Cr 13) 11, Polietileno (PE-HD) 0, Poliestileno (PS) 0, ϑ wmin = temperatura mínima ϑ M = temperatura masa b W = permeabilidad molde b M = permeabilidad polímero ρ= densidad λ= conductividad térmica c= calor específico

6 Variación n de la temperatura del molde La amplitud de la fluctuación n es menor en el interior de las paredes del molde (sensores de temperatura). Tiempo Distancia del termopar

7 Tiempo de enfriamiento El enfriamiento comienza en la fase de llenado, aunque la mayor parte del calor extraído se produce a partir de esta fase El llenado del molde es un proceso bastante isotermo debido al aporte de energía a debido al rozamiento interno de la masa El tiempo de enfriamiento se puede estimar aproximadamente a través s de las ecuaciones siguientes aplicadas a cada parte de la pieza Si el enfriamiento se realiza muy rápido r las desviaciones que se obtienen son elevadas. Por ello se recomienda que el número n de Fourier sea mayor de 0,05 t. a > 0.05 mejor > 2 x ( 0,1 ) t = tiempo de enfriamiento estimado a = difusividad térmica x = espesor de pared s o radio r en cilíndros largos

8 Temperaturas de proceso En el momento de desmoldeo el perfil de temperatura en las paredes de la pieza es según n se presenta en la figura Termoplástico Temperatura Molde C Temperatura Masa C Temperatura de desmoldeo C Apec HT (PC-HT) Bayblend (PC+ABS) (55) 1) Desmopan (TPU) Durethan A (PA 66) (60) 1) Durethan AKV (PA 66), GF) (60) 1) Durethan B (PA 6) (60) 1) Durethan BKV (PA 6, GF) (60) 1) Makrolon (PC) (>65) 1) <140 Makrolon (PC, GF) (>65) 1) <150 Novodur ABS (>45) 1) Lustran ABS (>45) 1) Lustran SAn Pocan (PBT) (>60) 1) <140 Pocan (PBT, GF)) (>60) 1) <150 Triax (ABS + PA)

9 Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Parámetros en el tiempo de enfriamiento Espesor de pared Temperatura desmoldeo Temperatura molde Temperatura masa

10 Parámetros en el tiempo de enfriamiento En resumen: Las paredes deben ser lo más delgadas como sea posible. Las temperaturas de desmoldeo lo más alta como sea posible. Temperatura del molde razonable. La temperatura de la masa debe ser la adecuada para obtener una fluidez correcta.

11 Balance térmico t del molde El objetivo es establecer la cantidad de energía a calorífica a extraer del molde durante el ciclo de inyección. n. Flujo térmico del polímero inyectado Q F Flujo por conducción desde la unidad de inyección Q H Flujo por conducción a la inyectora Q L Flujo por convección al ambiente Q K Flujo por radiación al ambiente Q Str Flujo extraído por el sistema de refrigeración Q TM

12 Energía a térmica t del polímero La energía a térmica t aportada por el polímero en la inyección n es. Q F m Δh =. t Entalpía específica m = Masa del polímero Δh= Incremento de entalpía t = Tiempo del ciclo Amorfos Entalpía específica Temperatura Semicristalinos Temperatura

13 Flujos de convección n en el molde Las pérdidas p de calor por convección n sigue la ley de Newton: A S = Superficie lateral. Q K A S L ( ϑ ϑ ) =.α WA U α L = Coeficiente de convección natural del aire. 8W/m 2.grado ϑ WA = Temperatura de la superficie exterior del molde ϑ U = Temperatura ambiente La temperatura exterior del molde es difícil de estimar, pero existe una correlación n estrecha con la temperatura media del circuito de enfriamiento. Acero aleado Acero no aleado Berilio-cobre

14 Flujos de convección n en el molde Las pérdidas p con el molde abierto son: t A. α ( ϑ ϑ ). TR L WA U t off ciclo A TR = Superficie de partición t off = Tiempo de apertura del molde t ciclo = Tiempo de ciclo El flujo total por convección n será:. Q K = α L A. t TR off ( ϑ ) + WA ϑu. As tciclo

15 Flujos de radiación n en el molde Las pérdidas p por radiación n son más m s reducidas que las de convección n (25% de las de convección n a temperaturas del molde superiores a 90ºC). Las pérdidas p por radiación n siguen la ley de Stefan- Boltzmann:. 4 U Q str = A S. ε. C S TWA 100 A s = Superficie de radiación T 100 ε = Factor de emisión 0,25 para acero brillante 0,8 para moldes usados C S = Coeficiente de radicación cuerpo negro T WA = Temperatura absoluta molde T U = Temperatura absoluta ambiente 4 Convección Radiación

16 Flujos de conducción n en el molde Los flujos de calor por conducción n se establecen entre el molde y los platos de la máquina. m. Q L A A ( ϑ ϑ ) =.β WA U A A = Superficies de las placas del molde β = Coeficiente de transmisión En el caso de colocar aislantes el coeficiente de conducción n será: β isol = 1 + S I β isol. λ. λ F isol W λ W = Conductividad del molde λ isol = Conductividad aislante S isol = Espesor aislante I F = Espesor molde m 2 β W. grado Acero 98 Acero aleado 84 Aleación Cobre 116 λ isol W 0.7 m. K

17 Circuito de enfriamiento La temperatura entre el polímero y los canales de enfriamiento varía a cualitativamente como se observa en la figura. Canal de enfriamiento Polímero Δθ 1 = Incremento de temperatura por conducción (negativo) Δθ 2 = Incremento de temperatura por transmisión Para conseguir una buena uniformidad en los flujos térmicos t es aconsejable que el salto térmico t no sea mayor de 30ºC

18 Circuito de enfriamiento Influencia de la conductividad del material del molde. Cobre-berilio Acero al cromo Los incrementos de temperatura por transmisión n pueden ser positivos en los canales

19 Posición n de los canales de enfriamiento El objetivo es obtener un enfriamiento uniforme. En componentes de precisión n el enfriamiento debe pensarse en la fase de diseño o conceptual del molde. El canal ideal sería a el que aparece en la figura a, pero por rigidez puede ser más m s adecuado los canales que aparecen en la figura b. a b

20 Posición n de los canales de enfriamiento La posición n relativa de los canales da lugar a variaciones de la temperatura en la superficie del molde Se recomienda que la variación n de temperatura no sea mayor de : 2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos. 5 a 10% en los polímeros amorfos.

21 Circuitos de enfriamiento Circuitos exteriores

22 Circuitos de enfriamiento Circuitos de refrigeración n interiores para núcleosn

23 Análisis numérico Distribución n temperaturas en el momento de desmoldeo

24 Variación n de la temperatura del molde La evolución n de la temperatura cuando la masa caliente contacta con el molde frío o es cualitativamente la siguiente. Molde Polímero Punto de medida temperatura Esta evolución n depende de las propiedades térmicas t del material del molde y del polímero.

25 Tiempo de enfriamiento El grado de enfriamiento es: Geometría Condiciones contorno Plano Ecuación Cilindro Cilindro

26 Tiempo de enfriamiento Cubo Esfera Cilindro hueco Con Cilindro hueco Con

27 Tiempo de enfriamiento La difusividad térmica para diferentes polímeros: Difusividad Difusividad Polímeros amorfos Temperatura del molde Temperatura del molde Polímeros semicristalinos

28 Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Tiempo de enfriamiento Parámetros en el tiempo de enfriamiento t K = S π max 2 2 aeff 4 ln π.θ θ = T T M E T T W W Espesor de pared Temperatura desmoldeo Temperatura molde Temperatura masa

29 Circuito de enfriamiento Δϑ ϑ ϑ = = 1 w KK Δϑ = ϑ 2 KK ϑ TM. Q. δ. n F 2. A. λ. F. KK FT W QF + QU + Q = 2. A. α TM. H α TM = NU. λ D KK TM Nu= ( ) D KK Re 180 Pr 1+ ITK 0,67 Válido para Re<10 6 y 0,6<Pr<500 VTM D Re= V ν Pr= a TM TM TM KK V = TM DKK ρ η TM TM TM λtm a T = M C ρ TM

30 Posición n de los canales de enfriamiento La posición n relativa de los canales da lugar a variaciones de la temperatura en la superficie del molde Se recomienda que la variación n de temperatura no sea mayor de : 2,5 a 5% en los polímeros semicristalinos. 5 a 10% en los polímeros amorfos. j = 2.4 Bi 0.22 B C B 2.8 In C α Bi = λ TM D KK W j Δϑ = ϑ WIj W 100%