制模工程師認為好的冷卻設計是工具車間的報價表中本來就有的。工具車間通常不優先考慮模具冷卻，其設計者也不一定對熱傳輸問題非常在行。他們的長處是切割鋼鐵並以儘可能經濟的方法生產模具。每一方都認為另一方負責而實際上哪一方都沒有負責，這個工業鏈中的斷層導致的是一種潛在的成本。部件冷卻不足會增加循環時間、廢料和尺寸問題。
基本介紹
- 中文名：模具冷卻最佳化
- 類別：模具
由誰負責模具冷卻過程的最佳化？為什麼不在設計和生產時給它傾注更多的精力？對於成型周期（80%是冷卻時間）中如此重要的一步，在傳統加工過程中卻沒有人直接負責。
而且，對於尺寸相似的部件，每一個製造過程的冷卻負載可以有很大的不同。比如，一個吹制部件只能在外表面冷卻。該部件的內表面是一個空心腔體。因此，內表面無冷卻的可能性極小。對於吹制模來說，部件的冷卻全部在該部件外壁方向。把一個噴射成型部件和一個厚度完全相同的吹制部件相比，冷卻發生在該部件的兩側。噴射成型部件會冷卻的非常快，從而循環時間也更短。因此，對於每一工藝類型冷卻部件所使用的技術必須很好地策劃以保證競爭優勢。
吹制模具製造還有一段使用“浸入加工”的歷史。這種方法涉及使用有供水流通過的大開孔鑄造模具。然而，這些系統把冷卻水集中在部件的關鍵部位比如壁厚較大的部分或者尾部毛邊。這種技術不能提供用於最大熱量傳送的水的湍流。切鋼工具中一種鑽制的水路系統允許最佳的流量通過水路並且允許選擇在最需要冷卻的位置布置水路。建議在要求高性能冷卻和明確溫度控制的所有系統中使用鑽制水路系統。
模具冷卻的重點可以概括為下列5個類別：
1、模製塑膠的熱性能和模具的建造材料。
2、從熔體準備到冷卻循環時間的能量平衡。
3、冷卻劑流速對傳熱效率的影響。
4、模具溫度調節器的選擇。
5、最佳模具冷卻的設計慣例。
第一位的是理解與傳熱有關的部件——從熱塑膠部件到工具鋼——的熱性能，最後才是對冷卻介質的理解。不同塑膠製品的熱含量以及不同類型模具材料（鋼材、合金，等等）的傳熱率有很大的差別，這一點沒有得到普遍認識。
塑膠的熱含量
在估計模具溫度調節器大小以及設計塑膠模具冷卻系統時，塑膠的熱含量通常是一個不被考慮的參數。每一種塑膠都要求有一個特定的能量（每磅）以塑化固體樹脂顆粒。這樣的例子包括：
同樣，為了形成一個穩定的部件，這個等量的熱能必須被除掉。根本上講，輸出的能量必須與輸入的能量相等。注意所有晶體材料的塑化要求的熱能幾乎是非晶體樹脂的一倍。這在熔體準備時通常沒有問題，儘管給料螺桿結構會影響熔體的準備。但是，對於烯烴材料而言兩倍的熱量必須被除掉，而且就具有競爭性的非晶體樹脂而言通常還是在同一個循環時間內，它確實含有這一層意思。因此，這種工具對烯烴樹脂就要求較多的模具冷卻以使循環時間保持競爭性。這些樹脂的結晶度使這一點成為一個非常重要的問題，因為除熱速度太慢會影響晶體增加並影響製成品的翹曲和尺寸的穩定性。
由於很多工業企業把ABS或者PC方面的工程師轉到像PP類的樹脂方面，這明顯表示模具冷卻變得比以往任何時候都重要了。
典型模具鋼種的傳導率
從上表中可以看出，典型模具材料的熱傳導率（K）有很大的差異。K是熱量能夠在材料中行進（傳輸）的速度。這個值越高，熱量的傳輸就更加有效。這個單位僅僅表示每單位時間可測量的熱的數量，其他的特性保持不變。
銅是一種非常優秀的傳熱材料（是P20的10倍），鋁也是。然而，兩種材料都比較軟，都不用於大批量的生產工具。鈦是一種熱傳導率非常低的硬金屬。這種較差的熱傳導特徵使得它能有效地用作熱轉動系統中的絕緣板。如果在某關鍵區域要求的熱傳輸量很大，鈹銅合金是最好的，它結合了優秀傳熱性能和硬度兩個特徵。
水與熱量傳輸
毫無疑問，模具冷卻最重要的並且完全在我們控制之中的一點是冷卻劑的流速。回憶一下熱傳導率圖表，水（靜止的）傳熱效率不及P20鋼的1/50。因此，水在熱傳輸問題上是一個限制因素。然而，流動著的水因為湍流有相當好的傳熱性能。湍流使得冷卻劑能夠混合併能把熱量從冷卻通道驅散。湍流可以從雷諾數計算而得。這是一個以通道直徑、冷卻劑速度和冷卻介質粘度為基礎的沒有單位的值。大於5,000表示湍流和優秀的傳熱性能。湍流越多，傳熱效率越好。
該公式的研究表明，對於一個給定的現有工具，管子直徑不能改變，冷卻劑保持不變，因此，只有改變冷卻劑流速來積極地影響雷諾數。速度是GMP。增加GMP既能極大地改善從鋼到冷卻劑的熱傳輸效率，也能改善模具溫度調節器兩端的溫度差（△T）。使GPM最大化是最佳冷卻的極好方法。
最終結果是湍流改善了熱傳輸的所有方面。因此，既然湍流要求的冷卻劑流速較高，GMP應該總是儘可能地大。
強烈建議重要工作上使用的所有模具溫度調節器安裝一個內置流量計。
溫度調節器的選擇
從模具上要消除的熱量的多少因所加工樹脂的不同而不同。此外，熱量消除的速度也因模具建造材料的不同而有差異。因此，確定模具溫度調節器必須考慮所有這些變數，否則可能造成選定的調節器偏小，從而導致循環次數過多。
輸入的熱量永遠等於輸出的熱量。如果冷卻系統或者模具冷卻結構不充分，能量還會找到一種釋放途徑。然而，這一般是藉助於工具兩邊的模具溫度調節器，否則，部件會因過多的殘留熱量而脫模，或者必須延長循環時間以便有足夠的時間消除熱量。造成的困難是要在正常條件下使所有的能量釋放出來。
冷卻管線的布置
在模腔中布置冷卻管線和型芯鋼時請考慮實際的部件結構。司空見慣的作法是，管線的布置在所有其他的設計問題之後，並且通常沒有通過好的管線布置使冷卻達到最佳的這個選擇餘地。請在設計的早期階段預先考慮這些問題。如果部件有較厚部分，那么請考慮把該管線布置得稍微靠近牆壁一點或者布置兩個小直徑管線代替一根管線。深型芯的冷卻一直是一個難題。隨著部件的冷卻，它將向型芯上收縮並脫離模腔。因此，80%的冷卻來自型芯鋼。然而型芯的表面與體積比最小（與模腔比較而言），並且在這個狹窄的空間裡獲得充足的冷卻水非常難。這可以解釋為什麼很多型芯運行時溫度很高。
當簡單通道的冷卻變得困難時，還有其他方法選擇。像型芯這樣難以冷卻的部位可以用隔板、起泡器和熱管來冷卻。但是需要注意的是，每種選擇有很多不同的設計，很多設計只是代表工具車間在價格較低的競標報價中提供的最低的成本標準條款。最好是規定設計結構而不是依賴於工具車間在冷卻上的經驗。很多工具車間對最佳化模具冷卻知之甚少，而多數模具製造商想當然地以為工具車間提供的模具能夠完美地冷卻。對幾家知名工具公司最近的調查證實，模具冷卻是他們最後考慮的問題而且他們通常使用的僅僅是標準慣例。
隔板和起泡器在結構和目的上是非常相似的。兩者都從局部的冷卻通道中汲取冷卻水並把它分配到像型芯這樣難以抵達的部位。在隔板中，水流入鑽制通道再流入型芯中心。通道被一個鋼製隔板分成兩半，這使水能從一側流入並從另一側返回。隔板沒有抵達通道底端，從而允許水流通過。好的結構能保證半塊隔板的橫截面積最小。這可以使局部流速達到最大從而形成湍流。
安裝管道時，使用較多的是用並流而不是串流。串流從一端進入，在出來之前通過整個工具。這種設計導致的壓降最大並且工具兩端的△T很大——部件兩端的溫度不均勻，存在潛在的變形可能。並流能使△T最小，從而保證了工具兩端溫度均勻。採用並流工具兩端的壓降也很低。
切實可行的模具設計
GPM——或者局部冷卻劑壁流速度——是最佳化模具冷卻最重要的因素，這一點是已經確認了的。那么，是什麼阻礙著對GPM的最佳化？答案是壓降。流道中任何不必要的限制都能降低GPM。每一個軟管接頭、彎管、扭接軟管、軟管過長等等，都能構成壓力損失的因素，因此，降低了GPM。限制物和壓降太多會使GPM接近於0。一旦流量達到如此地步，再也不會有湍流產生，熱量傳輸會大幅度降低。要平衡輸出、輸入能量，回流冷卻水溫度要上升。由於部件兩側的溫度變數過大，這個增量會引起部件尺寸不穩定。
壓降越大，模具溫度調節器中要求的泵的功率也越大，這樣才能使流速保持一致。相反，如果現存系統中的限制物可以被消除，那么泵能提供的GPM就更多（這是自由熱傳輸）。這就好比一輛獲得了更大里程的氣動汽車。
理解從模具溫度調節器上可獲得的GPM的一個最大誤解是供貨商只提供泵曲線。工具車間永遠不會提供工具的系統曲線。比如，一台額定容量為25psi的40GPM泵並不表示它能產生40GPM。該工具的壓降不知道，所有的軟管接點也不知道。這個很容易判斷，實際上，所有的工具車間都應該在向模具製造商發貨時提供這個數據。泵是發動機而工具是車體。這兩者之間必須相互匹配以便判斷所得到的性能。大的重型車上配一個小的發動機將無法工作。同樣地，過小的溫度調節器泵在多限制物的大工具中不會產生湍流。工具特性曲線必須與泵的曲線相匹配。
既然限制物影響GPM，如果某天工具和好的模具調節器連線，另一天與不同直徑的軟管連線，再一天與不同長度的軟管連線，那么，GPM每天都要變化。湍流變化、熱傳輸變化、冷卻效率變化——最終會慢慢地影響部件質量。
而且，既然限制物應該保持為最少以保證GPM為最大，那么，應該把這些最小量的限制物只布置在腔體和型芯里，這是一條很好的規則。這些部位是湍流最大位置之所在，也是使用限制物最少的結果。在不需要熱傳輸的部位比如聯軸器、減壓器等形成湍流是沒有意義的而且這還會消耗泵的功率。
最佳的模具冷卻設計建議
流速(GPM)的判定
最小GPM=3.5x管子內徑(以便獲得好的雷諾數#)。還要考慮消除所有熱負載需要的GPM。必須能夠從Thermolator上得到較大的值：
●10根平行排列的1/2”管子
●到公用集合管的長度相等
●部件重量：3磅；循環時間：47秒；樹脂：ABS,
●Thermolator△T目標為3°F
要求的最小GPM是多少？
每一條管線要求1.75GPM以便獲得好的雷諾數。
因此：10根x1.75=17.5GPM.
必須判定的還有熱負載：
●ABS=150BTU/lb.@3lb.的部件每47秒
●熱負載=3x150x3,600/47=34,468BTU/hr。
●回想thermolater熱負載=MxCpx(Tout-Tin)。
●因此，34,468=Mx0.98BTU/lb.-Fx(3°F)。
●求出M(每小時的質量流量)11,724.
●轉換成GPM(x1/500)=23.5GPM.
●採用這兩個GPM之和中最大的一個。
工具車間建議：
設計湍流的所有通道
●3.5x管子直徑=湍流
在熱傳輸區域使用最少量的限制物。
已知部件熱負載。
向模具製造商提供最小的GPM
●保證工具的正確運行。
●用於選擇模具溫度調節器。
在集合管兩端使用低壓降。
提供一條“工具特性”曲線。
小結
湍流是最重要的；
在腔體或型芯中使用最少量的通道開口；
使模具兩端的△T最大為5°F；
以熱負載或雷諾數為基礎，採用最小的冷卻劑流速；
預測熱點——使用充分的冷卻對策；
冷卻時間由部件厚度和結構決定。
