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Jan 22, 2024

射出成形金型の冷却: 基本への回帰

Bill Tobin | 3 novembre 2019 Spesso leggiamo e sentiamo parlare di “scoperte”.

ビル・トービン 2019年11月3日

私たちは、この業界における「画期的な出来事」についてよく読んだり聞いたりします。ロボットはオペレーターを排除します。 自動供給システムにより、機械が乾燥することはありません。 おしゃれな信号プロセッサとトランスデューサーが、成形プロセスのあらゆるマイクロ秒を監視します。 しかし、これだけの機器を導入しても、費やした金額に対してより多くの利益と投資収益率が見込めるでしょうか? そうではありません。なぜなら、私たちはテクノロジーに目がくらみ、基本を無視してきたからです。

最近、主任技術者の職を引き継いだばかりの人から電子メールを受け取りました。 彼は冷却装置の使用とその費用について疑問に思いました。 また、セットアップ シートで金型や機械の主な冷却源として「タワー水」が使用されていたとき、彼は製品の品​​質について疑問を抱きました。

塔の水のトラブル

まず単純だが見落とされがちな問題、つまり塔の水に取り組みましょう。 初めて成形工場を建設するとき、成形機の数とサイズを決定し、電力と冷却の要件を計算します。 彼らが無視する傾向があるのは、追加のマシンを購入したときに何が起こるかということです。それは、元の設計の「安全マージン」でカバーされているためです。

熱交換が必要となる理由は次のとおりです。

加熱された機械油はタワーから直接冷却されます。 溶融プラスチックの熱はまず金型鋼に放散し、冷却回路に伝達され、次に金型の熱交換器 (他の供給業者もありますが、一般にサーモレーターと呼ばれます)、最後にタワーの蒸発冷却回路に伝達されます。

気化冷却は水の蒸発に依存します。 これは、外気温、相対湿度、その他の多くの変数によって決まります。 外気が変化すると塔の水の温度も変化するのは明らかです。 塔の水の温度が変化すると、金型の温度も変化し、部品の寸法と品質も変化します。

塔水を直接型に入れることを避けるもう 1 つの理由は、スケールの蓄積です。 型内を水が流れることで、水中のミネラルが水面に析出する電気分解に最適な設定が得られます。 わずか 1/64 インチ (0.4 mm) のスケールが蓄積すると、流量が適切であっても、給水ラインの熱伝達効率が 60% 低下する可能性があります。

熱変形温度に関する興味深い事実

最初の興味深い事実: 成形品の理想的な突出温度は、材料の熱変形温度 (HDT) の 80% に達したときです。 2 番目の興味深い事実: 文献を確認すると、80% という数字が室温以下になるほど低い熱可塑性樹脂は存在しません。 実際的な例外がいくつかあります。薄肉エラストマーは、排出中に裏返る傾向があります。 寸法が犠牲にならない場合、突き出す前に部品を「過剰冷却」すると、従来どおりに突き出すのに十分な剛性を得ることができます。

これらの興味深い事実から、単純な疑問が生じます。これが正しい場合、なぜ冷却装置が必要なのでしょうか。 金型内の不十分な冷却を克服するためにチラーを使用します。

ほとんどの金型では、成形品が可能な限り効率的に HDT の 80% に達するように金型温度を維持するためにサーモレーターが使用されます。 プラスチックは熱伝導率が悪いので注意してください。 プラスチックからの熱は比較的ゆっくりと金型鋼に放射されます。 金型鋼と冷却ライン内の水の熱伝達特性は何倍も速くなります。

このプラスチック、金属、水の熱伝達システムの弱点は、水の流量です。 水が緩やかな流れのように滑らかに層を成して流れることを層流といいます。 水線の壁や川の底など、何かと接触している層は非常にゆっくりと流れます。 川の上部または水線の中心の水は、それ自体をすり抜けさえすればよく、より速く流れる必要があります。 層流では、流動層が固定層を受け取って金型から出る前に、この固定層を加熱する必要があるため、熱の伝達は非常に遅くなります。

流量が増加すると層流効果は停止します。 それは層状に流れるのを止め、自ら転がり始めます。 これを乱流といいます。 水が喫水線内を転がり落ちると、金型鋼から直接熱を受け取ります。 乱流は、流量、流路のサイズ、水の熱、水の粘度を使用するレイノルズ数と呼ばれる非常に複雑な無次元数で測定されます。 微積分を行う代わりに、経験則として、通常の成形状況では 1 回路あたり 1 ガロン/分 (GPM) で常に乱流が発生します。

画像: Adob​​e Stock

流量計が安く購入できます。 それらをインラインに接続して、何があるか確認してください。 結果はあなたを驚かせるかもしれません。 ここではいくつかの例を示します。

年：他のものと同様、サーモレーターとチラーも時間の経過とともに消耗します。 サーモレーターは、私たちが頻繁にメンテナンスを行うものではありません。 まず、サーモレーターの取扱説明書に記載されている出力圧力を確認してください。 多くの場合、ポンプは古くて疲れており、回路ごとに必要な 1 GPM をポンプで送り出すのに十分な圧力を生成できません。 使い古された機器を修理、交換、または廃棄します。

ライン抵抗:心の実験をしてみましょう。前庭と後庭の芝生に同時に水やりをしたいと考えています。 家の前には蛇口が1つしかありません。 T コネクタを使用して、前庭用に 15 フィートのホースを接続し、家の周りを回って裏庭に行くには 75 フィートのホースを接続します。 各ホースに 2 つの同一のスプリンクラーを取り付けます。 水を出すと、各庭に同じ量が流れると考えますが、前庭のスプリンクラーは 25 フィート以上上空まで噴射しているのに、裏庭のスプリンクラーは 5 フィートしか上空まで噴射していないことに気付きます。 なぜ同じ圧力源が同じ流れになるのか疑問に思うでしょう。 長いホースに水を押し込むのに必要なエネルギーを忘れていました。 水は常に最も抵抗の少ない道を通ります。 サーモレーターから金型までの 20 フィートのラインでは、ユニットにさらにハードな作業が必要ですが、電力会社を豊かにするだけです。

フックアップ

図 1: 最も優れた点として、各キャビティにはメイン マシンのマニホールドにつながる回路を備えた個別の冷却機能があります。 すべての圧力と流量は等しい。

図 2 と 3 は、ループ状に形成された 4 つのキャビティを示しています。 各バッフルの抵抗は、次の流れにさらに加わり、流れを著しく妨げます。 図 2 は外部ループを示しています。 図 3 は内部ループを示しています。

図 4 と 5 はラダー ループを示しています。 設計が適切でないと、生産性の罠に陥る可能性があります (チラーを使用する主な言い訳の 1 つ)。 どちらの図からも、1 つの回路が 2 つのキャビティのみを冷却しているかのような錯覚が得られます。 図 4 は、はしごの下部の「in」と「out」を示しています。 これは私たちの心の実験のようなものです。 流れの大部分は、入口に最も近いキャビティを冷却します。 入口と出口から遠ざかるにつれて、それはますます少なくなります。 図 5 は、下部に入口、上部に出口を示しています。 はしごの底部では入口圧力が高くなりますが、出口に対する抵抗も大きくなり、流れのバランスが保たれます。

多くの金型は短回路と長回路で構築されています。 金型の設計を見て、ループ化できる回路と、すべての回路を同じ流量に近づけるべきではない回路を指定します。

水道の接続をどのように文書化するのでしょうか? 写真 (回路が 8 つを超えると見にくい)、スケッチ (読みにくい)、説明 (読みにくい場合もあります) を見てきました。 最善の解決策は、GPS から取得した運転ルートの説明文を参考にすることです。

図 6 では、回路 #1 には 5 つのループがあるのに対し、回路 #4 にはループがなく真っ直ぐであることがわかります。 技術者がこれらの「ウォーターライン マップ」をメモリにコミットできるとどのように考えているかは驚くべきことです。 それはできません。

もう一つの「フローキラー」はあまりにも明らかなので悲しいです。 15 台以上のマシンがある場合は、80% 以上の確率で少なくとも 1 つのピンチオフ回路が見つかる可能性があります。 2 つの回路をループにしてホースの長さが短すぎるため、ホースを急激に曲げてつまんで閉じています。

フォローアップ - よくある間違いを回避する

金型を吊るすときはセットアップ ガイドを用意し、誰かに次のことを手伝ってもらいます。

水線直径

これがいかにばかげているように聞こえるかわかりましたが、直径 1/4 インチのウォーターラインで大型の金型を冷却しているのを見たことがあります。 レイノルズ数の物理学と常識から、直径が小さい水線や複雑な経路、または制限のある噴水やバブラーがいくつかある経路では、1 GPM の流量を得るには非常に高い圧力が必要であることがわかります。 優れた金型設計では、冷却ラインが外壁の 3 つの直径以内でのみ効率的に冷却できることもわかります。

金型の冷却に関して覚えていることが 1 つだけある場合は、金型にミシシッピ川を流してください。 温度の調整は簡単ですが、金型の温度は流れによって決まります。

結論

射出成形は楽しくもあり、退屈でもあるはずです。 楽しい面は、すべてのバランスを整えるプロセスに熱中することです。 このすべての作業は、金型を最初に実行/評価するときに行う必要があります。 下調べをきちんとやっていれば、退屈なのは座って利益が上がっていくのを眺めていることです。

エピローグ

数通の電子メールの最後に、私の担当者はいくつかの使い古されたサーモレーターをテストし、削り取りました。 彼はエンジニアにプロセスシートとウォーターライン図を明確に書き直させた。 彼と乗組員は絶え間なく捜索を続け、水路がつままれたところを発見した。

結果：

言い換えれば、少ない労力でより多くの利益が得られるということです。

著者について

Bill Tobin は、射出成形において 30 年以上の実践経験があります。 彼は、自身の会社である WJT Associates を通じて、人々の利益と生産性の向上を支援する記事を執筆し、論文を発表し、セミナーを教えています。 彼への連絡先は [email protected] です。

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