Kaip pasirinkti kaitinimo plokštę vakuuminiam presui, kuriam reikia greito įkaitinimo ir aušinimo ciklų?

Specializuotas vakuuminis presas turi formuoti ir sukietinti didelės vertės termoplastinę sudėtinę dalį, kuri per kelias minutes pereina nuo 50 laipsnių šaltos temperatūros iki 400 laipsnių karštumo ir vėl žemyn. Klasikinė, didelė, aliejumi kaitinama plieninė plokštė būtų šiluminė kliūtis – labai ilgai įkaista ir atvės. Greitą šiluminį ciklą įgalina plokštės konstrukcija, kuri sumažina šiluminę masę ir maksimaliai padidina šildymo ir aušinimo kontaktą. Geriausias variantas yra lengva aliuminio plokštė su daugybe -vatų -tankio šildytuvų ir tiesiogiai išgręžtų vandens-aušinimo kanalų tinklu švarioje, ne{10}}konvekcinėje vakuumo aplinkoje.

Šiame darbe siūloma sisteminė kaitinimo plokščių vakuuminio preso greitojo ciklo parinkimo metodika, atsižvelgiant į medžiagas, šildymo ir vėsinimo integravimą, vakuuminį suderinamumą ir patvirtinimo metodikas.

Kodėl aliuminiui pirmenybė teikiama greitam važinėjimui vakuume
maža šiluminė masė greitam reagavimui
Aliuminis pasirenkamas dėl mažo tankio (apie 2700 kg/m3) ir vidutinės savitosios šilumos (apie 0,90 kJ/(kg·K)). Pagal svorį aliuminio plokštė yra maždaug trečdalis plieno plokštės tam tikram plokštės dydžiui. Atitinkamai sumažinama ploto vieneto šiluminė galia, ty aliuminio plokštė įkaista maždaug tris kartus greičiau nei plienas, esant tokiam pačiam šildytuvo galingumui. Jei, priešingai, taikomas aušinimas, sukaupta šiluma išsklaido greičiau, nes reikia mažiau energijos.

Aliuminio lėkštė pasižymi lengvu, judriu korpusu, galinga, greitai plakančia-širdimi ir vėsinančių gyslų tinklu, sukurtu taip, kad nenuilstamai spruktų iš šalčio į karštą ir atgal.

Suderinamumas su dujų išmetimu ir „Hoover“.
Reikšminga vakuuminio preso (dažniausiai 1 mbar) problema yra medžiagos išsiskyrimas. Iš standartinių aliuminio lydinių gali išsiskirti drėgmė, angliavandeniliai ir oksidai. Norint atlikti hoover paslaugą, turi būti naudojamas didelio grynumo aliuminio lydinys, suderinamas su hoover. Tinkamai išvalius ir kepant vakuume, plačiai naudojamos tokios rūšys kaip 6061 arba 5083 T6 temperijoje. Spontaniškai ant paviršiaus susidarantis aliuminio oksido sluoksnis yra stabilus ir mažai išskiriantis dujas. Vakuuminėje kameroje neleidžiama naudoti dažų, dangų ar anoduotų sluoksnių, nes jie sulaiko lakiąsias medžiagas.

Integruotas šildymas, liejami-didelio-vatų-tankio šildytuvai
Kodėl pirmenybė teikiama Cast{0}}šildytuvams:
Šiluminis kontaktas tarp šildytuvo ir plokštės turi būti kuo artimesnis, kad būtų galima greitai įkaisti. Oro tarpai arba prispaustos-kasetės šildytuvai sukelia kontaktinį pasipriešinimą, kuris trukdo šilumos perdavimui ir sukelia temperatūros gradientus. Geriausias sprendimas yra išlieti vamzdinius šildytuvus tiesiai į aliuminio korpusą. Atliekant šią procedūrą šildytuvai (dažniausiai Incoloy-apvalkalais, didelio-vatų-tankio elementai) įrengiami liejimo formoje ir aplink juos pilamas išlydytas aliuminis. Aliuminis kietėja glaudžiai liesdamasis su šildytuvo apvalkalu, sudarydamas tuščią-mažo{9}}priešumo šiluminę sąsają.

Visi įlieti šildytuvai turi būti visiškai uždari ir be tuštumų. Bet koks poringumas arba tarpas tarp šildytuvo ir aliuminio veikia kaip šilumos izoliatorius ir sukelia vietinį perkaitimą ir efektyvaus šilumos perdavimo greičio sumažėjimą. Kapsulės vientisumas patikrinamas rentgeno spinduliais arba ultragarsu po liejimo.

Didelis vatų tankis, užtikrinantis greitą galios įvestį
Norint greitai įkaisti -(tarkim, 50 laipsnių per minutę ar daugiau), šildytuvo vatų tankis turi būti didelis. Standartiniai aliuminio kasetiniai šildytuvai yra apriboti iki 10–15 W/cm2, tačiau specialiai suprojektuoti vamzdiniai šildytuvai gali veikti 20–30 W/cm2 arba didesne galia, nes aliuminio liejinys užtikrina puikų šilumos paskirstymą ir efektyviai pašalina šilumą iš apvalkalo. Tačiau esant aukštesnei darbinei temperatūrai (virš 300 laipsnių), vatų tankis turi būti sumažintas, kad būtų išvengta apvalkalo perkaitimo. „Incoloy“ apvalkalai (įvertinti iki 750 laipsnių) reikalingi 400 laipsnių tikslui, o vatų tankis išlaikomas iki 20 W/cm2.

Zonavimas ir šildytuvo išdėstymas
Plokštelė yra išlieta su keliomis nepriklausomomis šildymo zonomis, kad būtų galima tiksliai kontroliuoti temperatūrą ir kompensuoti krašto nuostolius. Paprastai pagrindinė zona supa pagrindinę darbo erdvę, o perimetro zona yra šiek tiek karštesnė, kad kompensuotų šilumos nuostolius prie sienų. Šildytuvai yra išdėstyti serpantino arba tinklelio konfigūracija, kad būtų sukurtas homogeninis šilumos srautas. Norint optimizuoti atstumą ir galios paskirstymą, naudojama terminė baigtinių elementų analizė (FEA).

Integruotas aušinimas: tiesioginiai vandens keliai
Aušinimo kanalai išgręžti arti darbinio paviršiaus
Norint greitai atvėsti, reikia gerai išsklaidyti šilumą. Geriausias būdas yra aušinimo skystį (dažniausiai vandenį) cirkuliuoti tiesiai per plokštelėje išgręžtus kanalus. Šie kanalai yra kuo arčiau darbinio paviršiaus, paprastai 5–15 mm atstumu nuo viršutinio paviršiaus, kad būtų galima greitai ištraukti šilumą iš ruošinio. Kanalai dažniausiai gręžiami lygiagrečiai arba spirališkai ir yra sujungti su išoriniais kolektoriais.

Vakuuminio preso aušinimo vandens sistema turi būti visiškai sandari ir be nuotėkio. Bet koks vandens nutekėjimas į vakuuminę kamerą sukels tiesioginį proceso gedimą ir gali sugadinti vakuuminius siurblius. Todėl aušinimo kanalai yra apdirbami (išgręžiami) po to, kai išliejama plokštelė, o kanalų galai užsandarinami suvirintais kamščiais arba vakuumo -vardinėmis jungiamosiomis detalėmis. Visa aušinimo grandinė yra helio nuotėkio bandymas mažesniu nei 1 x 10-8 mbar.L/s greičiu.

Aušinimo greičio problemos
Galimas aušinimo greitis{0}} priklauso nuo vandens srauto, temperatūros prie įleidimo ir aliuminio šilumos laidumo (apie 167 W/(m·K) 6061). Aliuminis pasižymi dideliu laidumu, padedančiu greitai perduoti šilumą nuo darbinio paviršiaus į aušinimo kanalus. Su tinkamai sukonstruotais kanalais 400 laipsnių plokštę galima atvėsinti iki 100 laipsnių per 5–10 min., priklausomai nuo storio.

Greičiausiuose cikluose naudojamas aušinamas vanduo dideliu srautu (turbulentinis srautas) ir jis gali būti iš anksto{0}}aušinamas (pvz., iki 10–20 laipsnių). Tačiau reikia atkreipti dėmesį į aliuminio atsparumą šiluminiam smūgiui. Greitas aušinimas nuo aukštos temperatūros gali sukelti šiluminę įtampą. Konstrukcija turėtų leisti kontroliuoti rampą, o ne greitą gesinimą.

Mechaninės ir šiluminės konstrukcijos patvirtinimas
Terminis FEA, skirtas nuspėti deformaciją ir stresą
Dėl greito šildymo ir aušinimo ciklų plokštės viduje susidaro dideli temperatūros gradientai, dėl kurių atsiranda šiluminio plėtimosi neatitikimai ir vidinė įtampa. Jei šie įtempiai viršija aliuminio takumo ribą (kuris krenta aukštoje temperatūroje), plokštė gali būti visam laikui deformuota. Terminis FEA naudojamas trumpalaikiam temperatūros pasiskirstymui modeliuoti standartinio ciklo metu. Analizė prognozuoja, kad:

Didžiausi temperatūros gradientai (pvz., tarp darbinio paviršiaus ir galinės pusės).

Dėl to atsiranda deformacijos ir šiluminės deformacijos.

Norint sumažinti šiluminį šoką, reikalingas išankstinis aušinimo vandens-šildymas arba laipsniškas vėsinimas.

FEA rezultatai naudojami optimizuoti šildytuvų ir aušinimo kanalų padėtį, kad būtų sumažintas nuolydis. Plokštelė pagaminta simetriškai (šildytuvo ir kanalo raštai atspindimi maždaug vidurinėje plokštumoje), kad būtų sumažintas nusilenkimas.

Helio nuotėkio tyrimas
Vakuuminis presas, priešingai, veikia esant dideliam vakuumui (paprastai 0,1 mbar), ir bet koks nesandarumas plokštelėje, atsirandantis dėl liejimo ertmės, sujungtos su paviršiumi, arba iš suvirinimo siūlės aušinimo kanale, bus katastrofiškas. Po pagaminimo visas plokštelės agregatas patikrinamas helio nuotėkiu. Plokštelė dedama į vakuuminę kamerą arba pritvirtinama prie helio masės spektrometro. Helis įpurškiamas aplink visus galimus nuotėkio kanalus (šildytuvo galus, aušinimo kanalų kištukus, jutiklių prievadus). Nuotėkio greitis turi būti mažesnis už tam tikrą slenkstį, paprastai esant dideliam -vakuumui 1 × 10–81 × 10–8 mbar·L/s.

Medžiagų parinkimas, atsparus aukštai temperatūrai
Standartiniai aliuminio lydiniai (pvz., 6061-T6) praranda didelę savo stiprumo dalį esant 400 laipsnių. T6 nuotaika buvo sušvelninta ir pergyventa. Ilgalaikiam veikimui virš 250 laipsnių reikalingas termiškai stabilesnis lydinys. Arba AA 2618 arba AA 2219 .Tai nuo kritulių kietėjantys lydiniai . Jie geriau išlaiko stiprumą aukštesnėje temperatūroje. Arba gali būti naudojamas vakuuminis aliuminio silicio lydinys su vario ir magnio priedais (pvz., 354 arba 355). Pasirinktame lydinyje taip pat neturi būti elementų (pvz., cinko ar švino), kurie išskiria dujas vakuume.

Kiti komponentai ir integracija
Temperatūros jutikliai
Plokštelėje yra daug K arba N tipo termoporų, skirtų tiksliai valdyti greitus ciklus. Jie turi būti šalia darbinio paviršiaus, taip pat arti aušinimo kanalų. Termoporoms reikia vakuumui tinkamų mineralinių -izoliuotų metalinių apvalkalų (Inconel arba nerūdijančio plieno) ir sandarių įvadų į vakuuminės kameros išorę.

Šildymo ir aušinimo linijos vakuuminiai įvadai
Visa elektros energija į šildytuvus ir visos aušinimo skysčio linijos turi tekėti per vakuuminės kameros sienelę per hermetiškai uždarytus kanalus. Elektriniuose šildytuvuose naudojamos kelių{1}}kontaktų keraminės sandarios jungtys. Aušinimui vandeniu reikia suvirintų silfonų arba kompresinio tipo vakuuminių jungiamųjų detalių (pvz., VCR arba ConFlat). Šie įvadai taip pat turi būti ištirti, ar nėra helio nuotėkio.

Šilumos izoliacija ir radiacinė apsauga.
Vakuume šiluma perduodama tik spinduliuote ir laidumu per kietus kontaktus. Aplink plokštelę sumontuoti spinduliuotės skydai (poliruoto nerūdijančio plieno arba aliuminio lakštai), kad sumažintų šilumos nuostolius į vakuuminės kameros sienas ir apsaugotų jautrius komponentus. Plokštelė yra paremta ant mažo šilumos laidumo atitvarų (pvz., keramikos arba PEEK), kad būtų sumažintas laidus šilumos nuostolis.

Patogus pasirinkimo kontrolinis sąrašas
Projektuojant kaitinimo plokštę vakuuminiam presui su greitais įkaitinimo{0}}aukštinimo ir vėsinimo-ciklais, reikia dokumentuoti šiuos parametrus:

Parametras Tipinė reikšmė / reikalinga
Plokštės medžiaga Aliuminio lydinys, tinkamas vakuumui (pvz., . 2618, 2219 arba 6061 su aukšta-temperatūros patvirtinimu)
Šildytuvo tipas Įlietas, Inkoloy{0}}apvalkalas, didelis-vatų-tankis (mažesnis arba lygus 20 W/cm2 esant 400 laipsnių kampui)
Šildytuvo kapsulė Be tuštumų, patikrinta rentgeno ar ultragarsu
Aušinimo kanalai: gręžti, 5-15 mm žemiau darbinio paviršiaus, aušinami vandeniu
Maksimali darbinė temperatūra 400 laipsnių (arba pagal poreikį)
Tikslinis įkaitimo greitis-pvz., . 50 laipsnis/min nuo 50 laipsnių iki 400 laipsnių
Tikslinis vėsinimo{0}}mažinimo greitis, pvz., . 30 laipsnis/min nuo 400 laipsnių iki 100 laipsnių (aušinimas vandeniu)
Nuotėkio greitis < 1×10⁻8 mbar L/s (He sandarumo testas)
Šiluminio FEA patvirtinimasReikalingas temperatūros gradientams ir įtempiams nustatyti
Temperatūros jutikliai Kelių zonų, mineralinės{0}}izoliacijos termoporos (K arba N tipas)
Vakuuminis tiekimasHelio nuotėkis patikrintas hermetiškai
Išvada: integruotas terminio judrumo dizainas
Lengva aliuminio plokštė su integruota, intymia šildymo ir vėsinimo sistema yra ideali padėklas greitam dviračiui vakuuminiam presui, kurio dizainas iškelia šiluminį judrumą aukščiau visko. Dėl mažos šiluminės masės aliuminis greitai įkaista-ir atvėsina-. Didelis vatų tankis, įlietas-šildytuvuose, leidžia efektyviai įvesti galią, o tiesiogiai išgręžti vandens kanalai greitai pašalina šilumą. Medžiagos turi būti kruopščiai parinktos, kad būtų suderinamos su vakuumu, šildytuvai turi būti visiškai uždengti ir helio nuotėkis patikrintas pagal aukštus standartus. Temperatūros FEA naudojamas norint patikrinti, ar plokštė neiškraipo arba nesukuria nepriimtinų įtempių, kai vyksta greiti temperatūros ciklai. Greičiausi terminiai ciklai atliekami naudojant lengviausią ir glaudžiausiai integruotą įrankį. Šis atrankos vadovas padės jums pasirinkti kaitinimo plokštę, kuri siūlo greitą, pakartojamą šiluminę reakciją pažangiam kompozito formavimui ir kitoms sudėtingoms vakuuminio preso operacijoms.