Sistemas de enfriamiento Enfriamiento de contorno … · Simposio y Exposición Manufactura de Autopartes, Querétaro, México, ... autor o de B2B Portales Inc. La información y

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Agosto 22 a 24 de 2017. Prohibida su reproducción, venta, comercialización o difusión, total o parcial, sin autorización expresa del

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Sistemas de enfriamiento

Enfriamiento de contorno para la fabricación

de autopartes

Dr.-Ing. Miguel Garzón

Director de procesos de manufactura

PM-Tec Servicios de Ingeniería S.A.S.

6 Simposio & Exposición Manufactura de Autopartes

Agosto de 2017, Querétaro - México

Diapositiva 2© Material para uso exclusivo de los asistentes al 6to. Simposio y Exposición Manufactura de Autopartes, Querétaro, México,



Contenido

1 Motivación e introducción

2 Consideraciones técnicas

3 Análisis Económico

4 Conclusiones




Motivación e introducción

Objetivo

Entender las implicaciones técnicas de la producción de

canales de enfriamiento, a través de manufactura aditiva

e ilustrar las ventajas en calidad de productos y tiempos

de ciclo.





Importancia

El consumo de plásticos en

autopartes ha incrementado

desde 1960

Hoy, más de 1.000 piezas de

plástico se encuentran en un

vehículo

Un 10% de reducción en el

peso de un vehículo genera un

ahorro de entre el 6% y 8% en

combustible2

4

1 2015 American Chemistry Council Plastics and Polymer Composites in Light Weight Vehicles Report

2 http://energy.gov/eere/vehicles/vehicle-technologies-office-lightweight-materials-cars-and-trucks

1

Tendencias a largo plazo de los plásticos en vehículos ligeros (Libras / Vehículo)1





Objetivos del Sistema de Refrigeración

1. Maximizar la transferencia de calor → Minimizar el tiempo de ciclo

2. Mantener una temperatura uniforme en la pared de la pieza moldeada → Calidad

3. Minimizar los esfuerzos residuales → Calidad

• El tiempo de

enfriamiento constituye

entre el 50 y el 70% de

un ciclo típico de

inyección

• El enfriamiento aumenta

proporcional al cuadrado

del espesor de pared





Enfriamiento de Contorno

¿Qué es?

Sistema de enfriamiento que sigue la forma o perfil del núcleo o cavidad

del molde, en pro de alcanzar un enfriamiento uniforme y rápido.

Canales que optimizan la transferencia de calor y la resistencia

mecánica del molde.

Hoy es una alternativa para reducir el tiempo de ciclo y aumentar la

complejidad y la calidad de las piezas inyectadas, gracias a los avances

en técnicas de manufactura, particularmente en la manufactura aditiva.

Fuente: Renishaw

Fuente: Propia





Enfriamiento de contorno

Enfriamiento de zona

crítica, con formas

libres

Se pueden generar los

canales de enfriamiento

necesarios, sin pensar en

los limitantes de la

manufactura tradicional

Trayectorias

suaves, evitando

bordes rectos

(esquinas)

Seguir el contorno del

inserto y mantener la

distancia a la superficie

constante

Si es necesario dividir

el canal, se pueden

equilibrar los flujos

Fuente: LBC






Beneficios

Piezas con diseños geométricos de alta complejidad

Disminución del alabeo, rechupes … (problemas en

el control de temperatura) →

Productos de alta calidad

Reducción del tiempo de ciclo →

Mayor productividad

Mayor capacidad instaladaFuente: Hofmann Innovation Group






Mejoramiento en la

eficiencia del enfriamiento,

mayor resistencia

estructural, mayor vida útil

Tradicional: 150.000 ciclos

Contorno: +350.000 ciclos

Fuente: eos e-Manufacturing Solutions

48% de

reducción del

tiempo de ciclo

37% más rápido el tiempo

de enfriamiento

Temperatura de

enfriamiento se reduce de

102℃ a 82℃La producción por minuto

se duplicó

68% más rápido

el tiempo de

enfriamiento

Tasa de rechazo

de 60% a 0%




Atemperamiento de una cubierta

de motor

Fuente: Contura GmbH


Enfriamiento de contorno: Circuitos de agua separados




Atemperamiento de un inserto de molde con cuatro

núcleos separados

Medición del

inserto:



Enfriamiento de contorno + Insertos de alta conductividad térmica





Enfriamiento de Contorno

¿Cuáles son las barreras en nuestro

mercado?

Desconfianza en la tecnología;

madurez de las técnicas de

manufactura

Mayores costos de inversión inicial

Mayores competencias técnicas;

modificar la estrategia de diseño

Enfriamiento convencional

=

Canales en línea recta


=

Seguimiento del contorno

Fuente: Propia

Fuente: Propia




Contenido




4 Conclusiones




Producto

Fuentes: SLM Solutions, Zeiss, GF Machining solutions

GENTE• Entrenamiento

• Cultura

KNOW-HOW

Específico

• Diseño

• Modelamiento

• Confiabilidad

SISTEMA• Máquina

• SoftwareMATERIAL

• Propiedades

• Calidad

PROCESO• Parámetros de mecanizado

• Cadena de procesamiento

Consideraciones técnicas





Geometría

Resistencia Mecánica

Transferencia de Calor

En particular, en sistemas de enfriamiento en moldes de inyección

Fuente: Plastic Designs

Fuente: Weiyu Molde Plástico

Productividad

Dos aspectos que

se deben tener

bien definidos

Dos grandes

aspectos a

optimizar








Posibles

soluciones

Manufactura

convencional

Fuente:

HTS International Corporation

Carvajal Medios B2B

Renishaw








Posibles

solucionesManufactura aditiva

Fuente:

HTS International Corporation

PENDIENTE

Renishaw




Enfriamiento con canal


Caso de estudio 2

Comparación del enfriamiento de contorno con el enfriamiento convencional para una

misma pieza.


Vs

Fuente: Propia




Teoría de enfriamiento


La respuesta térmica del molde depende de

la distancia entre los canales y las paredes

del molde al cuadrado!

Canal de

enfriamiento

Enfriamiento convencionalCanal de

enfriamiento

Pared del

moldePared del

molde







Caso de estudio: Temperatura en el molde


misma pieza.


Vs

Fuente: Propia

Max = 174ºC Max = 161ºC (-13ºC)






Caso de estudio: Temperatura en el molde


misma pieza: Diferencia entre las dos mitades del molde disminuye


Vs

Fuente: Propia

70

75

80

85

90

95

100

105

1 3 5 7 9 11 13 15

Tem

pera

tura

[ºC

]

Tiempo [min]

AA

B B

Ca

na

lC

on

torn

o

A B

ΔTmax = 13,2ºC

ΔTmax = 6,4ºC





Caso de estudio: Análisis de flujo de agua en los canales

v03 v04

Tubería de 1/4” a 6 lpm. Tubería en

serpentín, 2 entradas, 2 salidas.

Tubería de 1/4” a 6 lpm. Tubería en serpentín con

direccionador de flujo en parte móvil del molde, 2

entradas, 2 salidas.

Objetivo: Analizar el desempeño de dos sistemas de

enfriamiento (v03 y v04), con los parámetros de materiales y

temperaturas iguales en ambos sistemas.





Caso de estudio - Flujo del agua en los canales: Velocidad





Caso de estudio - Flujo del agua en los canales: Número Re

El flujo laminar

solo permite la

transferencia de

calor a través de

la conducción de

capa a capa del

flujo.

En el flujo

turbulento se

da transferencia

de masa en la

dirección radial,

luego hay

transferencia por

convección y

conducción




Lado móvil

Lado fijoMaterial: PC + ABS


Caso de estudio: Necesidad de canales independientes

Aplicación automotriz 2K para la tapa del aire

acondicionado

Alto brillo

Altos requerimientos dimensionales





Qué pasa con el flujo de plástico dentro del molde?


Tradicional Variotherm

Control clásico de proceso: Problema clásicoControl clásico de proceso: Problema clásico Solución: Control de proceso von Variotherm




Caso de estudio: Eliminación de líneas de soldadura con Variotherm


Atemperamiento de un marco de carcasa para pantalla en el interior de un vehículo

Línea de soldadura

Línea de unión





Atemperamiento de un marco de carcasa para pantalla en el interior de un vehículo

Caso de estudio: Eliminación de líneas de soldadura con Variotherm





Caso de estudio: Reducción de defectos (Rechupes)

Objetivos

Comparar el desempeño del sistema de enfriamiento convencional con la

alternativa de implementar enfriamiento de contorno.

Evaluar el tiempo tentativo de solidificación.

Determinar posibles defectos en el producto.

Sistema de enfriamiento convencional Sistema de enfriamiento de contorno

¼ del molde ¼ del molde

Fuente: Propia





Caso de estudio 3: Temperatura del molde más uniforme

Temperatura del molde después del llenado

𝑇𝑚𝑎𝑥 = 92,3℃𝑇𝑚𝑖𝑛 = 12,0℃

𝑇𝑚𝑎𝑥 = 66,2℃𝑇𝑚𝑖𝑛 = 12,0℃

Sistema de enfriamiento

convencionalSistema de enfriamiento

de contorno

Temperatura del molde después del llenado

-28%





Caso de estudio – Producto con menos concentración local de calor

Temperatura producto 1s después de solidificación

𝑇𝑠 = 137,2℃𝑇𝑖 = 181,6℃

𝑇𝑠 = 122,3℃𝑇𝑖 = 167,0℃



de contorno

Fuente: Propia

-11%

Temperatura producto 1s después de solidificación

-8%





Caso de estudio – Producto tiene menor presencia de rechupes

Marcas de rechupe

𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑎𝑥 = 0,1223 𝑚𝑚𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑖𝑛 = 0,0119 𝑚𝑚



de contorno

Marcas de rechupe

𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑎𝑥 = 0,0846 𝑚𝑚𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑖𝑛 = 0,0119 𝑚𝑚

-31%

Fuente: Propia

Tiempo de ciclo 56% menor

Menores marcas de rechupe: 31% menor





Manufactura Aditiva - Principio SLM (Selective Laser Melting)

Fuente

Láser

Escáner

Peine dispersador

Material

sinterizadoMesa de

trabajo

Polvo sin

utilizar

- z

Capas > 20 µm

Fuentes: WZL, Autodesk

𝐸𝜌 =𝑃

𝑢𝛿

J

mm2

𝑬𝝆 Densidad de energía láser

𝑃 W Potencia del láser

𝑢 mm s Velocidad de escaneado

𝛿 mm Diámetro del haz láser





Piezas fabricadas por Sinterizado/Fusión Láser Selectiva

Fuentes: GF Machining solutions, Rennteam Uni Stuttgart, SLM, Renishaw

Ind

. M

old

es

Ind

. A

uto

motr

iz





Propiedades de los materiales

Dureza Barra SLM

Aluminio HB 75 119

Acero herramientas HRC 55,1 53

Acero inoxidable HRC 15 8

Titanio HRC 36 32

301,5

2214

540

950

460

2050

640

1290

0

500

1000

1500

2000

2500

Esfu

erz

o ú

ltim

o a

tensió

n [

MP

a]

Barra Polvo sinterizado SLM

171

2166

470

880

270

1990

530

1140

0

500

1000

1500

2000

2500

Esfu

erz

o d

e f

luencia

[M

Pa]

Barra Polvo sinterizado SLM

Aluminio - ALSi10Mg

Acero herramientas – Acero Nr.1.2709

Acero inoxidable – 316SSUNS S31673

Titanio - Ti6AI4V

Fuentes: Matweb, atimetals, EOS GmbH, SLM Solutions

Datos para los materiales después de

tratamiento térmico





Porosidad

Buen proceso: Densidad piezas >99%

Post-procesamiento

– Tratamientos térmicos

– Compresión

HIP – Hot Isostatic Pressing

– Calor y presión en un medio de gas inerte

– Es un proceso de formado y de

densificación

– Eliminar porosidad

– Post-densificación de piezas sinterizadas

Mal proceso: SLM de AlSi10Mg con polvo húmedo.

Alta porcentaje de poros de hidrógeno

Buen proceso: SLM de AlSi10Mg.

Densidad pieza >>99%

Fuentes: ISSN 0924-0136, thelibraryofmanufacturing.com





Rugosidad superficial

25-35 µm Rz

Postproceso: dejar material adicional por al menos 0.5mm

Acabado: con fresado, rectificado, pulido manual, EDM, etc.

Mínimo: Sandblasting, para retirar completamente polvo no sinterizado

Fuentes: DMG MORI

Eje

mplo

para

LM

D

Fresado

5-Ejes





Alabeo

Deformación de la pieza después del proceso o después de retirar patas de

soporte

Posición patas de soporte para transferencia de calorFuentes: University of Pittsburgh, US Securities and Exchange commission





Costos

Por lo general, el polvo es varias veces más costosos que el material en barra o placa

¡Sólo hay que usar lo que uno necesita!

Costos promedio en Euro/kg entre material en barra o placa y polvo certificado

2 24 28 3362

92

400

120 110 120

0

100

200

300

400

500

Co

sto

[E

uro

/kg]

Barra Polvo

Fuentes: 3ders.org, zauba.com, EOS, SLM




Otros procesos posibles para hacer enfriamiento de contorno

Soldadura en vacío

Soldadura por difusión

Uso de tecnologías de fusión de

medallas





Contenido




4 Conclusiones




Análisis económico

Preparación

Material

Alistamiento

Tiempo de

manufactura

Remover (placa)

Taladrado

Tratamiento térmico

Costos de producción ($USD) C

on

ve

ncio

nal

Sin

teriza

do

Fuente: Hofmann Innovation Group

Caso de estudio: Comparación entre manufactura convencional y manufactura por

sinterizado LASER

~$3056

+80%

~ $5525





Preparación

Alistamiento

Tiempo de

manufactura

Remover (placa)

Taladrado

Tiempo de producción (h)

Con

ve

ncio

nal

Sin

teriza

do

Caso de estudio: Comparación entre manufactura convencional y manufactura por

sinterizado LASER

Tratamiento

térmico

94 h

180 h

-48%

Fuente: Hofmann Innovation Group





Cadencia ( 𝐶 ): Número de piezas

inyectadas por hora en un molde

𝐶 =𝑛𝑓

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜3600 1 − 𝑟

𝑛𝑓: Número de piezas por molde

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜: Tiempo de ciclo (s)

𝑟 : Tasa de descuento (rechazadas) (%)

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 20 40 60 80

Ca

de

ncia

Reducción del tiempo de ciclo (%)

𝑛𝑓 = 16 𝑟 = 10%𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 100 𝑠𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 518 𝑢/ℎ





Cadencia ( 𝐶 ): Número de piezas

inyectadas por hora en un molde

𝐶 =𝑛𝑓

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜3600 1 − 𝑟

𝑛𝑓: Número de piezas por molde

𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜: Tiempo de ciclo (s)

𝑟 : Tasa de descuento (rechazadas) (%)𝑛𝑓 = 16 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 100 𝑠

𝑟𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 60%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 230 𝑢/ℎ

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

0 20 40 60 80 100

Ca

de

ncia

Reducción de la tasa de rechazo (%)





Fuente: eos e-Manufacturing Solutions

Costos &

Ingresos

Costos

iniciales

mayores

Ganancia

Cantidad

Reducción

del tiempo

de ciclo

Costos fijos Contorno

Costos fijos Convencional

Cant. ConvencionalCant. Contorno





Convencional Contorno

Valor pieza ($/u) 0,14

Peso pieza (g\u) 100

Costo hora de producción ($/h) 17

Costo material ($/kg) 0,67

Costo por scrap ($/u) 0,27

Costo molde ($/molde) 16700 30060

Otros costos fijos ($) 0 2000

nf 16

t ciclo (s) 100 70

r 3,5% 0,5%

Cadencia (u/h) 556 819

Unidades perdidas (u/h) 20 4

Costo por pieza sin costos fijos ($/u) 0,11 0,09

+180%

-30%

-85%

+147%

-18%

Caso de estudio





Convencional Contorno

Cantidad (miles u) 4000

Ganancia (Dolares 92 041 156 496 +170%

Caso de estudio





Item Convencional Contorno

Piezas para retorno positivo (miles u) 614 680

Tiempo para retorno positivo (dias) * 46,0 34,6

*trabajando 24 horas

+11%

-25%

Caso de estudio

No siempre se

requiere

enfriamiento de

contorno!!!

Más rentable

con Enfriamiento

Convencional

Más rentable

con Enfriamiento

de Contorno




Contenido




4 Conclusiones




Conclusiones

El enfriamiento de contorno hoy es una estrategia para la

competitividad, en la medida en la que logramos reducir el tiempo de

ciclo y aumentar la calidad y complejidad de las piezas moldeadas.

La manufactura aditiva ya no es tan solo un método “innovador” para

fabricar piezas de prueba. Hoy en día es un método más dentro de la

cadena de manufactura moderna, que permite materializar los sistemas

de enfriamiento de contorno.

Es necesario continuar con el desarrollo tanto en el ámbito de

manufactura, como en el diseño de los sistemas de enfriamiento de

contorno.




MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Fuente: Bastech

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