Mould cooling optimization with conformal channels inserts ...€¦ · Mould cooling optimization...

European Tooling ForumMilan 24 – 25 Sept. 2009

p. 1 of 20

Mould cooling optimization with conformal channels inserts made by SLMOttimizzazione del condizionamento dello stampoattraverso inserti con canali conformali realizzati in SLMAlberto Corazza, INGLASS-HRSFLOW

CLUSTERPLAST DISSEMINATION EVENT& UCISAP TECHNICAL CONFERENCE “Latest Trends on moulding temperatures conditioning control”

September 24th, 2009TORTONA, ITALY


p. 2 of 20

Hot Runner SystemsSistemi di iniezione

1987 1989 2001 2004 2006

Multi-colour and Multi-component rotating tools for

car lightingStampi rotativi e multicomponente per

illuminazione auto

“Glazing Technology”Tecnologia Glazing

SpecializationSpecializzazione

2008

Mold Cooling Optimization Ottimizzazione raffreddamento

stampo

INglass group: the companyGruppo INglass: l’azienda

Tools for wide panoramic PC surfacesStampi per ampie superfici

panoramiche in PC


p. 3 of 20

Content of presentationContenuto della presentazione

cooling in the injection moulding process,il raffreddamento nello stampaggio ad iniezione,

mould cooling engineering,ingegnerizzazione del raffreddamento dello stampo,

SLM technology and concept of “conformal channels” inserts,tecnologia SLM e concetto di inserti con “canali conformali”,

characterization of SLM steel,caratterizzazione degli acciai per SLM,

“full SLM” and “hybrid” build style,metodi di costruzione “full SLM” e “ibrido”,

application: injection gate cooling SLM bushing,applicazione: bussole in SLM di raffreddamento del gate di iniezione,

real case: mold cooling optimization.caso reale: ottimizzazione del raffreddamento di una stampo.


p. 4 of 20

Importance of cooling in the injection moulding processL’importanza del raffreddamento nello stampaggio ad iniezione

Conditioning (60-75% of the cycle time): mold thermo-regulation for optimal cooling of the molded part.Condizionamento (60-75% del tempo ciclo): termoregolazione dello stampo per raffreddamento ottimale del manufatto stampato.

Objective:Obiettivo:

cycle time reduction,riduzione tempo ciclo,minimization of aesthetical, geometrical and structural problems, riduzione dei problemi estetici, geometrici e strutturali del prodotto.

How to reach the goal:Come raggiungere l’obiettivo:

removing hot spots,rimuovendo i punti caldi,removing cold spots to avoid frozen stresses,rimuovendo le zone fredde per non congelare tensioni,improving cooling in high thermal flux areas.potenziando il raffreddamento nelle zone ad elevato flusso termico.

Tools:Strumenti:

CAE analysis,analisi CAE,traditional technology,tecnologia tradizionale,SLM technology.tecnologia SLM.


p. 5 of 20

Benefits coming from an optimized cooling systemBenefici di un sistema di raffreddamento ottimizzato

Elimination of defects like:Eliminazione di difetti quali:

warpage (deformazioni),

uncontrolled shrinkage (ritiri non controllati),

sink marks (risucchi),

frozen stresses (congelamento di tensioni),

ejection problems (problemi di estrazione),

scraps reduction (riduzione degli scarti),

ect… (ecc…)

Optimized conditioning (Condizionamento ottimizzato)

Uniform cooling and shrinkage of the partRaffreddamento e ritiro uniforme del manufatto

Cooling time reductionRiduzione del tempo di raffreddamento

Productivity increase and cost reductionAumento della produttività e riduzione dei costi


p. 6 of 20

Cooling system engineeringIngegnerizzazione del sistema di condizionamento

Step 1: cooling pre-analysispre-analisi di cooling

hot spots(punti caldi),

high thermal flux area(zone ad elevato flusso termico)

Step 2: mould designprogettazione stampo

Cooling system desigedaccording to step 1 resultsLay out del sistema di raffreddamento progettato in funzione dei risultati dello step 1

Step 3: mould cooling analysisanalisi di cooling dello stampo

1st cooling optimization1° ottimizzazione raffreddamenti,remaining hot spot and/or high

thermal flux area identificationindividuazione di residui hot spot e/o zone

ad elevato flusso termico,ejection time determinationquantificazione tempo di estrazione


p. 7 of 20

Step 4: modification by traditional or SLM technologymodifiche con tecnologia tradizionale e/o SLM

cooling system layout modificationmodifica layout sistema di condizionamento, SLM inserts with conformal cooling channelsinserti SLM con canali conformali,high thermal conductivity alloy insertsinserti in leghe ad alta conducibilità termica.

Step 5: cooling analysis checkanalisi di cooling di verifica

check of the mould modificationsverifica efficienza delle modifiche apportate allo stampo

Cooling system engineeringIngegnerizzazione del sistema di condizionamento


p. 8 of 20

Selective Laser Melting technologyTecnologia Selective Laser Melting

Recoater

Laser beam

Fascio laser

Dispenser

Part on process

Parte in realizzazione

Collector bin

Collettore


p. 9 of 20

Conformal cooling channels where traditional solutions fail:Canali conformali di raffreddamento dove le soluzioni tradizionali falliscono:

shaped according to moulding surface,modellati in base alla superficie stampante,tight and constant distance from moulding surface,distanza dalla superficie stampante ridotta e costante,any cross section shape is possible (elliptical, triangular, etc…).sono possibili sezioni di qualsiasi forma.

SLM technology to build inserts with conformal cooling channelsTecnologia SLM per la realizzazione di inserti con canali conformali

T1 - Injected plastic(Plastica iniettata)

q’’ – Heat absorbed(calore assorbito)

d

dTTq 21'' −

∝ λ

d< q’’>

T2 - Cooling fluid(Liquido di

raffreddamento)


p. 10 of 20

Fluidyniamic analysis allow to:Le analisi fluidodinamiche permettono di:

check water flow rate balancing in parallel channels,verificare il bilanciamento nei canali in parallelo,check that fluid velocity is not too high or low,verificare che la velocità del fluido non sia troppo elevata o bassa,avoid vortex (evitare i vortici).

UN-BALANCED CHANNELS

Software and know how for conformal cooling channels optimizationSoftware e know how per l’ottimizzazione dei canali di raffreddamento conformali

BALANCED CHANNELS

Coeff / reynolds

Hea

t exc

hang

e co

effic

ient

Reynold numberFluid velocityVelocità fluido

>> Heat exchangeScambio termico

>> Cooling efficiencyEfficienza di raffredd.

>>


p. 11 of 20

Stainless Hot Work Steel – DIN 1.2083,

Stainless Steel – DIN 1.4540,

Hot Work Steel – Maraging 300 (DIN 1.2709).

SLM steel materials for injection moulding insertsAcciai per SLM adatti ad inserti per stampaggio ad iniezione

high strengthkeeping high toughness(elevata resistenza e resilienza)

no carbon content (assenza di carbonio),

precipitation of inter-metallic compounds through age hardening,

invecchiamento con formazione di precipitati intermetallici

high fatigue resistance (elevata resistenza a fatica),

good machinability (buona lavorabilità di macchina utensile),

very good weldability (ottima saldabilità),

nitriding, nickeling, PVD coating possible.nitrurabile, nichelabile e rivestibile con PVD.

0.90%Al

1.08%Ti

5.52%Mo

15.11%Ni

11.64%Co

65.74%Fe

Composition


p. 12 of 20

Maraging 300 steel: mechanical propertiesAcciaio Maraging 300: proprietà meccaniche

9544,51930 ± 101880 ± 10Heat treatment MAX

15486,51620 ± 101560 ± 10Heat treatment MIN

4535 - 3710,51160 ± 51030 ± 5As built

Impact energyEnergia di impatto[J]

HardnessDurezza

[HRc]

ElongationAllungamento

[%]

Ultimate strengthCarico di rottura

[Mpa]

Yield strengthCarico di snervamento

[Mpa]


p. 13 of 20

SLM steel = forged steelAcciaio SLM = acciaio forgiato

Enlargement 100x

Selective Laser SINTERING

Selective Laser MELTING

20μm

Selective Laser Melting = 100% densitySelective Laser Melting = densità 100%

Enlargement 100x

SLM steel = forged steelAcciaio SLM = acciaio forgiato


p. 14 of 20

insert built completely by SLM,inserto realizzato interamente in SLM,insert built on a steel plate and supported by a 0.5mm thick grid,inserto realizzato su piastra in acciaio su supporti a griglia di altezza 0.5mm,insert removed from the plate by wirecutting.inserto distaccato dalla piastra tramite taglio a filo.

Grid supports (violet)Supporti a griglia (viola)

“Full SLM” buildstyleMetodo di costruzione “Full SLM”

Building platePiastra di costruzioneInsert

InsertoShort production timeRidotto tempo di attraversamento


p. 15 of 20

insert bottom chip machined (base),base dell’inserto realizzato per asportazione di truciolo (base),upper insert built by SLM directly on the base.parte superiore dell’inserto realizzato in SLM direttamente sulla base.

“SLM hybrid” build styleMetodo di costruzione “hybrid”

BaseBase

SLM partParte in SLM

Base chip machined

Base realizzata di macchina utensile

Remaining part of the insert to build by SLM directly on the baseRestante parte dell’inserto da realizzare

in SLM direttamente sulla base

Final resultRisultato finale

SLM building time and costs reductionRiduzione costi e tempi di costruzione in SLM


p. 16 of 20

Perfect adhesion between SLM part and forged base interfacePerfetta adesione all’interfaccia tra parte in SLM e base forgiata

Samplen°

Yieldstrength[MPa]

Ultimate strength[MPa]

Forgedhardness

[HRC]

SLM hardness

[HRC]

01 988 1146

48,2 ± 0,7

35,4 ± 0,6

02 906 1186 37,3 ± 1,2

03 983 1175 36 ± 0,9

04 920 1160 36,5 ± 1

Forged baseBase forgiata

SLM partParte in SLM

Adhesion interfaceInterfaccia di adesione

Traction testTest di trazioneSLM part

Parte in SLM

Forged baseBase forgiata


p. 17 of 20

SLM for injection gate cooling bushingSLM per la produzione di bussole di raffreddamento del gate di iniezione

NozzleIniettore

CavityMatrice

Cooling channelsCanale di

raffreddamento

SLM coolingbushing

Bussola raffred.in SLM

extremely high efficiency in injection gate cooling (to avoid sink marks, stringing, dropping, etc...),elevata efficienza nel raffreddamento del gate di iniezione (per evitare problemi di risucchio, filo, gocciolamento,

ecc...)

no leakage risk.no rischio di perdita dal circuito.


p. 18 of 20

Injection gate cooling bushing efficiencyEfficienza nel raffreddamento del gate con bussole in SLM

375.4595.1PT [W]

293.304294.170TOUT [°C]

293.200293.200TIN [°C]

41864186cp [J/Kg °C]

10001000ρ [kg/m3]

78.5425.14A [mm2]

10.985.83vaveragge[m/s]

TraditionalbushingBussola

tradizionale

SLM bushingBussola SLM

Traditional bushing – Bussola tradizionale

SLM bushing – Bussola in SLM

Heat power absorbed by cooling fluid

Calore assorbito dal fluido refrigerante

SLM bushing efficiency improvement

Incremento efficienza bussola SLM= 58%


p. 19 of 20

Cooling time: 25sTempo di raffreddamento: 25s

Real case: cooling system NOT optimizedCaso reale: sistema di raffreddamento NON ottimizzato

Part description: loading ledge,Descrizione parte: loading ledge,

Material: PP,Materiale: PP,

Thickness: 2.5mm up to 4.5mm,Spessore: 2.5mm fino a 4.5mm,

Size: 760 x 113 x 98 mm.Dimensione: 760 x 113 x 98 mm.

83 °CPart to moldParte

Core temperatureTemperatura

matrice

Coolingchannels lay out

Lay out canali di raffr.

Pocket UN-sufficiently cooled by bafflesTasca raffreddata insufficientemente da pozzetti


p. 20 of 20

47 °C-36 °C

New coolingchannels lay out

Nuovo lay out canali di raffr.

Conformal channelsCanali conformali

Core temperatureTemperatura

matrice

Cooling time: 17sTempo di raffreddamento: 17s

Pocket cooled byconformal channelsTasca raffreddata con canali conformali

Cooling TimeTempo di raffreddamento

- 8 s

- 32%SLM insertInserto SLM

Real case: cooling system optimizedCaso reale: sistema di raffreddamento ottimizzato

Date post:	13-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	buicong
View:	230 times
Download:	10 times

Mould cooling optimization with conformal channels inserts ...€¦ · Mould cooling optimization...

Documents