La simulazione termica

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1 Seminario Comsol Proplast, Rivalta Scrivia 29/09/2016 La simulazione termica per la progettazione di sistemi di condizionamento dinamico H&C

2 Seminario Comsol Proplast, Rivalta Scrivia 29/09/2016 Andrea Romeo Consorzio Proplast Responsabile Area Ingegneria

3 Heat and Cool principles (I) Condizionamento dinamico Il processo di heat and cool consiste nella variazione dinamica di temperatura della superficie della cavità fino alla Tg (materiali amorfi) o alla Tm (materiali semicristallini) seguita da un rapido raffreddamento alla temperatura di estrazione per ottenere un pezzo stampato con elevata qualità superficiale.

4 Stampaggio convenzionale (T mould =cost) Heat and Cool principles (II) congelamento pelle solidificata, difficoltà di scorrimento, isolamento termico plastica/acciaio, bassa qualità superficiale Stampaggio heat and cool (T mould =T(t)) Stampaggio convenzionale Materiale fluido in tutto lo spessore, migliore scorrimento, più efficace scambio termico plastica/acciaio, elevata qualità superficiale Stampaggio con heat and cool

5 Nuvo Heat and Cool, un pezzo estetico con finitura lucida

6 Nuvo Heat and Cool, un pezzo estetico con finitura lucida Materiale: PC trasparente (Sabic Lexan HF1140R) o PC nero (Bayer Makrolon 2407) Dimensioni: 55x55x85 mm Spessori: mm Peso: 26 g 1. Qualità eccellente delle superfici lucide sia su trasparenti che su colorati (effetto Piano Black) 2. Brillantezza dei neri / assenza di alonature 3. Linee di giunzione non visibili (in corrispondenza dei fori) 4. Riduzione risucchi 5. Tempo ciclo contenuto

7 1. Superfici high gloss Miglioramento qualità delle superfici lucide Incremento lucentezza e brillantezza (effetto Piano black) Colori intensi e accesi Heat and Cool highlights Senza Heat and Cool Con Heat and Cool

8 2. Linee di giunzione non visibili Scomparsa segni in corrispondenza delle linee di giunzione Migliore qualità/resistenza meccanica delle giunzioni Heat and Cool highlights Senza Heat and Cool Con Heat and Cool

9 3. Riduzione risucchi Heat and Cool highlights Migliore propagazione della pressione di mantenimento attraverso la vena fluida calda Senza Heat and Cool Con Heat and Cool

10 Heat and Cool highlights 4. Eliminazione gate marks e sfiammature Riduzione dello stress indotto sul materiale in fase di riempimento e mantenimento Senza Heat and Cool Con Heat and Cool

11 5. Tempo ciclo contenuto Heat and Cool heating highlights Rapidità del riscaldamento e raffreddamento (legata alla progettazione dei circuiti) Possibilità di iniziare il riscaldamento a stampo aperto Progettazione accurata e ottimizzazione via software delle fasi di riscaldamento e di raffreddamento riscaldamento 15 switch H/C 3 iniezione mantenimento raffreddamento 1 12 ciclo successivo 15 estrazione

12 Canali conformali Realizzazione matrici Lavorazioni convenzionali Riporto SLM Riporto SLM! tenute idrauliche

13 Simulazioni H&C Acqua pressurizzata L uso di acqua in pressione permette di portarla fino a 180 C Obiettivi: progettare e dimensionare il sistema di condizionamento dinamico e ottimizzare la posizione dei canali per assicurare efficienza e uniformità in riscaldamento e in raffreddamento. Progettare il ciclo H&C (temperature, portate, tempi) Simulazione del comportamento termico dello stampo. Si analizzano solo le matrici dello stampo. Fenomeni fisici Scambio termico per convezione forzata tra l acqua e l acciaio dello stampo. Trasmissione di calore per conduzione attraverso l acciaio dello stampo

14 Simulazioni H&C Fenomeni fisici Scambio termico per convezione forzata tra l acqua e l acciaio dello stampo. Diametro canali Ф [mm] Portata H 2 O M [m 3 /s] Temperatura H 2 O T [ C] Conduc. termica H 2 O k(t) [W/m K] Densità ρ(t) [kg/m 3 ] Viscosità dinamica η(t) [Pa s] Trasmissione del calore per conduzione attraverso l acciaio fino in cavità stampo. Cond. termica acciaio k(t) [W/m K] Densità acciaio ρ(t) [kg/m 3 ] Distanza canale-cavità s [m]

15 Simulazioni H&C Fenomeni fisici Scambio termico per convezione forzata tra l acqua e l acciaio dello stampo. dq dq h( T ) s T H 2O ds dq = calore scambiato per unità di tempo (potenza termica) [W] ds = superficie infinitesima del condotto [m] h = coeff. locale di scambio termico per convezione [W/m 2 K] T s = temperatura della superficie del condotto [K] T H2O = temperatura del fluido [K] Trasmissione del calore per conduzione attraverso l acciaio fino in cavità stampo. dq ( Ts Tcavità) dq kacciaio ds s K acciaio = conducibilità termica dell acciaio [W/m K] T cavità = temperatura della superficie della cavità [K] s = distanza del canale dalla cavità [m]

16 Simulazioni H&C Coefficiente di scambio termico per convezione Dipende dalla configurazione geometrica del canale (Ф), dalle proprietà del fluido (k(t), ρ(t), η(t) ) e dalle condizioni di processo (T H2O, Q) h k Nu Inputs Diametro canali Ф=8 mm Portata H 2 O Q=10 l/min= m 3 /s Temperatura H 2 O T=160 C Sezione canale A=(Ф/2) 2 π = mm 2 Velocità fluido v=m/a=3.323 m/s Densità Viscosità dinamica Numero di Reynolds Numero di Prandtl Numero di Nusselt Conducib. termica ρ=907.5 kg/m 3 (tabulato) η= Pa s (tabulato) v Re 141'662 Pr=1.087 (tabulato) Nu= Re 0.8 Pr 0.3 =328.8 k= W/m K (tabulato) 3 k Nu h160 C 27'948 W/m 2 K

17 Progettazione sistema H&C Cappuccio Nuvo thermal study (I) H&C delle superfici estetiche 2 canali di condizionamento separati variabili - Massimizzare l uniformità di temperatura - Minimizzare le perdite di carico - Massimizzare le portate - Minimizzare il tempo di switch H/C - Diametro canali - Posizione geometrica dei canali - Temperature H 2 O - Portate H 2 O - Tempo di Heat / tempo di Cool

18 Progettazione sistema H&C Cappuccio Nuvo thermal study (I) H&C delle superfici estetiche 2 canali di condizionamento separati - Massimizzare l uniformità di temperatura - Minimizzare le perdite di carico - Massimizzare le portate - Minimizzare il tempo di switch H/C - Ø cool = 5 mm - Interasse canali = 5-6 mm - Distanza dalla cavità = 3-4 mm - T H20 = C - Q H20 = 10 l/min per canale

19 Scelta condizioni ottimali di temperatura in cavità Cappuccio Nuvo thermal study (II) PC T iniez = C T estraz = C

20 Scelta condizioni ottimali di temperatura in cavità Cappuccio Nuvo thermal study (II) PC T iniez = C T estraz = C

21 Scelta condizioni ottimali di temperatura in cavità Cappuccio Nuvo thermal study (III) PC T iniez = C T estraz = C

22 Scelta condizioni ottimali di temperatura in cavità Heating iniezione PC T iniez = C T estraz = C Cooling estrazione Cycle t heat = 15 s t cool = 15 s injection starts at t=15 s ejection at t=30 s cycle time = s

23 Conclusioni design sistema H&C design ciclo H&C uniformità temperatura controllo evoluzione nel tempo

24 Andrea Romeo Consorzio Proplast Responsabile Area Ingegneria Grazie per l attenzione Seminario Comsol Proplast, Rivalta Scrivia 29/09/2016