De invloed van matrijs materiaalselectie op de warmtehuishouding van hybride matrijzen In bijgaand artikel wordt een beknopt overzicht gegeven wat de invloed is van matrijs materiaalselectie op de warmtehuishouding van hybride matrijzen. Dit wordt naast een beknopte theoretische uitleg verduidelijkt door middel van praktische voorbeelden ten behoeve van injectie- en stretch blaas matrijzen. 1. Wat zijn hybride of multi-materiaal matrijzen? Hybride of multi-materiaal matrijzen combineren de technologieën van enerzijds conventionele matrijzenbouw en anderzijds “hightech” productietechnieken. Deze hightech methodes zijn in hoofdzaak gekend als “Additive Manufacturing (AM)” of "3D Printing" zoals selectief laser melting SLM. Het basisframe van de matrijs evenals eenvoudige vormdelen/inzetstukken worden bij hybride matrijzen conventioneel geproduceerd in het gekozen materiaal. Dit kan ofwel standaard of gelegeerd matrijsstaal zijn, ofwel materialen zoals aluminium en beryllium/koper. Complexe matrijs inzetstukken worden ofwel conventioneel, ofwel in hoofdzaak via AM technologie vervaardigd. Vooral bij AM productietechnieken worden niet steeds conventioneel gekende matrijsmaterialen gebruikt. Onder andere om voorliggende redenen dient er bij het matrijsontwerp en daaraan verbonden matrijsproductie bijzondere aandacht besteed te worden aan de in te zetten matrijsmaterialen. De gekozen matrijsmaterialen beïnvloeden namelijk heel sterk de warmtehuishouding tijdens het latere verwerkingsproces. De selectie van materiaal en productietechniek heeft effect op het finale product. Door gebruik te maken van deze kennis, zal het resulteren in het optimaliseren van de finale productkwaliteit of cyclustijd. Ook voor ontwerpers biedt het inzetten van hybride matrijzen extra mogelijkheden. De materiaalinvloed van ontwerp tot eindproduct ifv kunststofverwerking wordt hierna verder toegelicht. 2. De warmtehuishouding van matrijzen Bij onderzoek naar de warmtehuishouding van materialen, in het bijzonder voor toepassingen bij matrijzen, zijn thermische eigenschappen zoals warmtecapaciteit Cp (het vermogen van een materiaal om de warmte op te nemen en af te geven) en conductie (warmtegeleiding binnen één bepaald materiaal) van groot belang. De relatie tussen beide materiaaleigenschappen is de thermische diffusie . Hoe groter de diffusie, hoe positiever het materiaal kan ingezet worden bij koeling of verwarming.
Cp
De conductie geeft het warmtetransport weer bij “steady state heat flow”. Dit is de toestand waarbij de warmtehuishouding van een voorwerp stabiel en onafhankelijk is
van de tijd. De “transient heat flow” wordt weergegeven door de diffusie, en geeft de warmte-evolutie van een voorwerp weer in functie van de tijd. Voor matrijzen zijn beide aspecten van groot belang. Indien een matrijs juist opgestart wordt, zal er na en aantal injectiecycli een stabiele “steady state” toestand bereikt worden. Als een matrijs in “steady state” is, dan kunnen we beschouwen dat de warmtewisseling van de opeenvolgende injectiecycli gelijk blijft. Bij iedere afzonderlijke injectiecyclus hebben we echter wel te maken met een “transient solution heat flow”, daar er continu warmte uitgewisseld wordt tussen het geïnjecteerde warme materiaal en de koude matrijs, dit tot wanneer het kunststofproduct voldoende afgekoeld is en uit de matrijs kan gestoten worden. 3. Optimaliseren van het kunststof verwerkingsproces én eindproduct Naast de gekende snelle productie van matrijsonderdelen, biedt de hybride AM technologie extra voordelen op het vlak van cyclustijd- en kwaliteitsverbetering. Dit kan verwezenlijkt worden door de juiste matrijs materiaalkeuze, door integratie van conformal cooling (al dan niet via conventionele of AM technieken) of door combinatie van beide. Het aspect van matrijs materiaalkeuze mag niet onderschat worden, zoals eerder weergegeven. Indien je weet dat bij sommige AM laagsgewijze sintermaterialen bv. een licht poreuze structuur in het matrijsmateriaal aanwezig kan zijn, is het duidelijk dat de aanwezige poriën als isolator zullen dienen en de thermische mogelijkheden sterk beïnvloeden. Onderstaande grafiek geeft een voorbeeld van het verschil in totale warmtehuishouding ifv temperatuur bij verschillende conventionele en AM materialen. Thermal diffusivity a [10-8 m²/sec] (without Copper, Alumec en Protherm) 1700
Moldmax XL LaserForm 100 Steel 1730 DirectMetal 20 sinter Holdax Impax Supreme DirectSteel 50 sinter Ramax Prometal Stavax ESR DirectSteel H20 DirectSteel 20 sinter CL 50 (LaserCusing) CL 80 (LaserCusing)
1575 1450
a [10-8 m²/sec]
1325 1200 1075 950 825 700 575 450 325 200 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
T [°C]
De variatie in warmtehuishouding bij de verschillende matrijsmaterialen biedt een aantal voordelen. Er kan ingespeeld worden op plaatselijk verhogen of verlagen van de warmte uitwisseling, waardoor bv de finale productkwaliteit beïnvloed kan worden. Voorbeelden waarbij deze voor- of nadelen lokaal toegepast kunnen worden zijn “cold-” of “hot spots” en inval in een product. Ook zal dit een invloed kunnen hebben op bv de
kristallisatiegraad van het polymeer. Dit kan afhankelijk van de kunststof resulteren in aangepaste mechanische eigenschappen (bv treksterkte). Er dient opgemerkt te worden dat er bij kunststofverwerking tussen koelwatertemperatuur en contacttemperatuur matrijs/polymeer een verschil in warmtehuishouding (diffusie) van 4 tot 7% kan optreden. Bij standaard vloeisimulatie software zoals Moldex3D en Moldflow wordt echter gebruik gemaakt van een vast waarde voor warmtehuishouding, wat ervoor kan zorgen dat de finale simulatie niet steeds 100% overeen komt met de werkelijkheid. Een ander belangrijk aspect is het integreren van conformal cooling. Gezien het steeds complexer worden van kunststofontwerpen, wordt het voor de matrijzenmaker steeds moeilijker om de koeling optimaal te verwezenlijken. Door gebruik te maken van conformal cooling in combinatie met juiste materiaal en productiemethode, kunnen hoogtechnologische hybride matrijzen vervaardigd worden. Deze matrijzen leiden tot een reductie van de cyclustijd (soms meer dan 30%). Naast deze tijdswinst, mag het aspect van kwaliteit van het eindproduct niet onderschat worden. Door bv integratie van conformal cooling kan de “warpage” en/of inval van het eindproduct sterk verbeterd worden. 4. Voorbeelden van de invloed van matrijsmateriaal selectie a. Injectiematrijs Onderstaande voorbeeld geeft via een eenvoudige matrijs voor een plaat de invloed van het geselecteerde materiaal op de warmtehuishouding weer. De ene matrijsholte is vervaardigd uit standaard matrijsaluminium. De 2de matrijs is geproduceerd via AM Prometal technologie. Uit thermische metingen via IR evenals het inzetten van Kistler sensoren en DSC analyses, is duidelijk te merken dat de materiaalselectie een grote invloed heeft op het verwerkingsproces (productkwaliteit en cyclustijd). Naast het vervaardigen van producten in een matrijs met uniform matrijsmateriaal aan voor- en achterzijde van het vlakke product, werd tijdens het onderzoek ter extra controle de voor- en achterzijde van de vormholte uit een ander materiaal vervaardigd. Zoals te verwachten werd door het verschil in thermische eigenschappen ”warpage” vastgesteld op het finale gespoten eindproduct. Dit is veroorzaakt door een andere afkoelsnelheid en kristallisatiegraad op voor en achterzijde van het product. Dit toont nogmaals aan dat het van groot belang is de matrijsmateriaal selectie niet te onderschatten. Ook bij vloeisimulatie dient dit in rekening gebracht te worden.
b. Blaasextrusiematrijs Het gebruik van hybride matrijzen geraakt stilaan ingeburgerd bij injectietoepassingen. Onderzoek heeft aangetoond dat de technologie zeker ook ingezet kan worden bij het vervaardigen van blaasmatrijzen. Hiervoor werd gebruikt gemaakt van een “slanke fles”
ontwerp. Conventioneel worden flesblaas matrijzen in hoofdzaak 2 of 3delig uitgevoerd, dit in aluminium. Een niet eenvoudige te vervaardigen vorm van een fles bestaat hierin dat de hals lang en slank is. Tijdens het onderzoek naar stretch blow moulding werd bekeken op welke wijze de kwaliteit van dergelijke slanke flessen verbeterd kon worden. Om deze reden werden de twee schalen van de matrijs opgesplitst in elk 3 afzonderlijke delen, namelijk fleshals-middenstuk en voet. Elke helft werd afzonderlijk gekoeld/verwarmd zodat de optimale productkwaliteit bekomen kon worden. Het onderzoek heeft aangetoond dat bij het vervangen van de oorspronkelijke aluminium matrijshelft ter hoogte van de hals (verwarmd tot 70°C bij verwerking van PET, om goede productkwaliteit te bekomen), door een matrijshelft in PA. Zonder verwarming/koeling werd dezelfde kwaliteit bekomen, waardoor energierecuperatie toegepast kon worden.
c. Hybride injectiematrijs voor naamkaart doosje Bij hybride matrijzen wordt dikwijls verkeerdelijk verondersteld dat deze enkel vervaardigd zijn uit inzetstukken via AM technieken. Onderstaande voorbeeld van een “naamkaart doosje” toont aan dat via een doordacht matrijsontwerp conventionele en AM technieken optimaal gecombineerd kunnen worden. Bij het originele matrijsontwerp werd geen gebruik gemaakt van AM technologie. Enkel op de locatie van het filmscharnier werd gebruik gemaakt van een beryllium/koper inzetstuk, ter verbetering van de reologische eigenschappen. Bij de verbeterde matrijs wordt naast conventionele productietechnieken ook gebruikt gemaakt van het DME “stripper” systeem, wat aan de matrijsontwerper extra vrijheidsgraden geeft qua koeltechnieken. Bij het DME systeem worden een afstrooplepels gebruikt. Hierdoor zijn er geen uitstoters noodzakelijk, en kan de daardoor vrije oppervlakte ideaal gebruikt worden voor het vervaardigen van “conventionele” conformal cooling. Ten behoeve van optimale productkwaliteit ifv de sterkte van het filmscharnier, is via AM technologie een speciale koelvin vervaardigd. Op deze wijze kan het filmscharnier optimaal gekoeld worden. Ook kan hierdoor de reologie geoptimaliseerd worden. Dit toont aan dat de juiste productie- en matrijsmateriaal keuze naast cyclustijd optimalisatie extra voordelen biedt aan het finale verwerkingsproces en productkwaliteit.
.
Conformal cooling inzet via AM - EOS – “maragine” staal
“conventionele conformal cooling”
