Com seleccionar una placa de calefacció per a una premsa de buit que requereixi cicles ràpids d'escalfament i refredament?

Una premsa especialitzada al buit ha d'emmotllar i curar una peça composta termoplàstica d'alt valor-, passant d'un 50 graus fred a 400 graus i tornar a baixar en qüestió de minuts. Una placa d'acer gran i clàssica escalfada amb oli seria un coll d'ampolla tèrmica: un temps molt llarg per escalfar-se i refredar-se. El cicle tèrmic ràpid està habilitat per un disseny de plat que minimitza la massa tèrmica i maximitza el contacte entre la calefacció i la refrigeració. Un candidat principal és una placa lleugera d'alumini amb una sèrie d'escalfadors d'alta-watt-densitat i una xarxa de canals de refrigeració d'aigua-perforats directament a l'entorn net no-convectiu d'una aspiradora.

Aquest treball proposa una metodologia sistemàtica per a la selecció del cicle ràpid de la premsa al buit de la planxa calefactora tenint en compte els materials, la integració de la calefacció i la refrigeració, la compatibilitat amb el buit i les metodologies de validació.

Per què es prefereix l'alumini per al ciclisme ràpid al buit
massa tèrmica baixa per a una resposta ràpida
L'alumini es tria per la seva baixa densitat (uns 2700 kg/m3) i la seva calor específica moderada (al voltant de 0,90 kJ/(kg·K)). En termes de pes, una placa d'alumini és aproximadament un terç d'una placa d'acer per a una mida de platina determinada. La capacitat tèrmica per unitat de superfície es redueix en conseqüència, és a dir, la placa d'alumini s'escalfa unes tres vegades més ràpid que l'acer per a la mateixa potència de calefacció. Si, en canvi, s'aplica refrigeració, la calor emmagatzemada es dissipa més ràpidament ja que hi ha menys energia per eliminar.

Un esportista tèrmic, el plat d'alumini compta amb un cos lleuger i àgil, un cor potent i ràpid-i una xarxa de venes refrescants, construïdes per esprintar de fred a calor i tornar incansablement.

Compatibilitat amb desgasificació i aspiració
Un problema important amb la premsa de buit (generalment 1 mbar) és la desgasificació del material. Els aliatges d'alumini estàndard poden emetre humitat, hidrocarburs i òxids. Per al servei d'aspiradora s'ha d'utilitzar un aliatge d'alumini d'alta puresa que sigui compatible amb aspirador. Quan es netegen i es couen al buit correctament, s'utilitzen àmpliament graus com 6061 o 5083 en el tremp T6. La capa d'òxid d'alumini que es forma espontàniament a la superfície és estable i amb baixes emissions de gas. No es permeten pintures, recobriments ni capes anoditzades a l'interior de la cambra de buit, ja que retenen les substàncies volàtils.

Calefacció integrada, fosa-en escalfadors d'alta densitat-watt-
Per què es prefereix emetre-en escalfadors:
El contacte tèrmic entre l'escalfador i la platina ha de ser tan proper com sigui possible per a un escalfament ràpid. Els buits d'aire o els escalfadors de cartutxos-ajustats a pressió provoquen resistència de contacte, que impedeix la transferència de calor i provoca gradients de temperatura. La millor solució és colar escalfadors tubulars directament al cos d'alumini. En aquest procediment, els escalfadors (normalment elements d'alta densitat-watt-revestits d'Incoloy-) s'instal·len al motlle de fosa i s'aboca alumini fos al seu voltant. L'alumini es solidifica en contacte estret amb la funda de l'escalfador, formant una interfície tèrmica-sense buits i de baixa- resistència.

Tots els escalfadors col·locats han d'estar completament tancats i sense buits. Qualsevol porositat o espai entre l'escalfador i l'alumini funciona com a aïllant tèrmic i provoca un sobreescalfament local i una reducció de la velocitat efectiva de transferència de calor. La integritat de l'encapsulació es comprova mitjançant una inspecció de raigs X-o ultrasònics després de la fosa.

Alta densitat de watts per a una entrada ràpida d'energia
Per a una velocitat d'escalfament ràpid-(per exemple, 50 graus per minut o més), la densitat de watts de l'escalfador ha de ser alta. Els escalfadors de cartutxos estàndard per a alumini estan limitats a 10-15 W/cm2, però els escalfadors de tub-dissenyats especialment poden funcionar a 20-30 W/cm2 o més perquè la fosa d'alumini permet una distribució excel·lent de la calor i elimina de manera eficient la calor de la funda. Tanmateix, a temperatures de treball més altes (més de 300 graus), la densitat de watts s'ha de reduir per evitar el sobreescalfament de la funda. Les beines Incoloy (classificades a 750 graus) són necessàries per a un objectiu de 400 graus i la densitat de watts es manté a 20 W/cm2.

Distribució de zones i escalfadors
La placa està fosa amb diverses zones de calefacció independents per permetre un control fi de la temperatura i per compensar les pèrdues de vora. Normalment, una zona central envolta l'espai de treball principal, amb una zona perimetral una mica més calenta per compensar la pèrdua de calor a les fronteres. Els escalfadors s'organitzen en una configuració de serpentina o quadrícula per crear un flux de calor homogeni. L'anàlisi tèrmica d'elements finits (FEA) s'utilitza per optimitzar l'espaiat i la distribució de potència.

Refrigeració integrada: Water Pathways Direct
Canals de refrigeració perforats prop de la superfície de treball
Per refredar ràpidament cal dissipar bé la calor. La millor manera és fer circular un fluid de refrigeració (normalment aigua) directament a través dels canals perforats a la platina. Aquests canals estan situats el més a prop possible de la superfície de treball, normalment entre 5 i 15 mm de la cara superior, permetent una ràpida extracció de calor de la peça de treball. Els canals solen ser perforats en paral·lel o en espiral i estan interconnectats a col·lectors externs.

El sistema d'aigua de refrigeració d'una premsa de buit ha d'estar totalment segellat i sense fuites. Qualsevol filtració d'aigua a la cambra de buit provocaria una fallada immediata del procés i possibles danys a les bombes de buit. Per tant, els canals de refrigeració es mecanitzen (perforen) després de la colada de la platina i els extrems dels canals es segellen amb taps soldats o amb accessoris-al buit. El circuit de refrigeració complet està provat de fuites d'heli a una velocitat inferior a 1 x 10-8 mbar.L/s.

Problemes de velocitat de refrigeració
La possible velocitat de refredament-depèn del cabal d'aigua, de la temperatura a l'entrada i de la conductivitat tèrmica de l'alumini (uns 167 W/(m·K) per a 6061). L'alumini té una gran conductivitat per ajudar a transferir la calor ràpidament des de la superfície de treball als canals de refrigeració. Amb canals dissenyats adequadament, una platina de 400 graus es pot refredar a 100 graus en 5-10 minuts depenent del gruix.

Els cicles més ràpids utilitzen aigua de refrigeració a cabals elevats (flux turbulent) i es pot refredar prèviament-(p. ex., entre 10 i 20 graus). Tanmateix, s'ha de tenir en compte la resistència al xoc tèrmic de l'alumini. Un refredament ràpid a partir d'una temperatura elevada pot provocar tensions tèrmiques. El disseny hauria de permetre una baixada controlada en lloc d'un apagat ràpid.

Validació del disseny mecànic i tèrmic
FEA tèrmica per predir deformacions i estrès
Els cicles ràpids d'escalfament i refrigeració provoquen gradients de temperatura considerables a l'interior del plat, que provoquen desajustos d'expansió tèrmica i tensions internes. Si aquestes tensions superen el límit elàstic de l'alumini (que cau a alta temperatura), la platina es pot distorsionar permanentment. La FEA tèrmica s'utilitza per modelar la distribució de temperatura transitòria durant un cicle estàndard. L'anàlisi preveu que:

Gradients de temperatura màxims (per exemple, entre la superfície de treball i la part posterior).

Deformacions i deformacions tèrmiques resultants.

Per reduir el xoc tèrmic, cal un preescalfament-d'aigua de refrigeració o un refredament escalonat.

Els resultats de FEA s'utilitzen per optimitzar la posició dels escalfadors i canals de refrigeració per reduir els gradients. La platina es fa simètrica (escalfador i patrons de canals reflectits al voltant del pla mig-) per reduir la inclinació.

Prova de fuites d'heli
La premsa de buit, en canvi, funciona amb un buit elevat (normalment 0,1 mbar) i qualsevol fuita a la platina, ja sigui d'un buit de fosa connectat a la superfície o d'una soldadura en un canal de refrigeració serà catastròfica. Tot el conjunt de platina està provat per fuites d'heli després de la fabricació. El plat es posa en una cambra de buit o es connecta a un espectròmetre de masses d'heli. L'heli s'injecta al voltant de tots els canals de fuites possibles (terminacions de l'escalfador, endolls del canal de refrigeració, ports del sensor). La taxa de fuites ha d'estar per sota d'un determinat llindar, generalment per a aplicacions d'alt-buit 1×10−81×10−8 mbar·L/s.

Selecció de materials per a la resistència a alta temperatura
Els aliatges d'alumini estàndard (per exemple, 6061-T6) perden una gran part de la seva resistència a 400 graus. El temperament T6 s'ha alleujat i envellit. Per a un funcionament sostingut per sobre dels 250 graus es necessita un aliatge més estable tèrmicament. O AA 2618 o AA 2219 .Són aliatges d'enduriment per precipitació . Mantenen una millor resistència a temperatures elevades. Alternativament, es pot utilitzar un aliatge de silici d'alumini fos al buit amb addicions de coure i magnesi (per exemple, 354 o 355). L'aliatge seleccionat també ha d'estar exempt d'elements (per exemple, zinc o plom) que desgasten al buit.

Altres Components i Integració
Sensors de temperatura
La platina està equipada amb una sèrie de termoparells tipus K o N per a un control precís dels cicles ràpids. Han d'estar situats a prop de la superfície de treball i també a prop dels canals de refrigeració. Els termoparells requereixen beines metàl·liques aïllades-minerals adequades al buit (Inconel o acer inoxidable) i passadissos segellats a l'exterior de la cambra de buit.

Línia d'escalfament i refrigeració per al buit
Tota l'energia elèctrica als escalfadors i totes les línies de fluid per a la refrigeració ha de fluir a través de la paret de la cambra de buit a través de canals d'alimentació tancats hermèticament. Els escalfadors elèctrics utilitzen connectors segellats de ceràmica multi-pin. La refrigeració per aigua requereix manxes soldades o accessoris de buit de tipus compressió (per exemple, VCR o ConFlat). Aquests canals d'alimentació també s'han d'examinar per detectar fuites d'heli.

Aïllament tèrmic i protecció contra la radiació.
En el buit, la transferència de calor es fa només per radiació i conducció mitjançant contactes sòlids. Al voltant de la platina s'instal·len protectors contra la radiació (acer inoxidable polit o làmines d'alumini) per reduir les pèrdues de calor a les parets de la cambra de buit i per protegir els components sensibles. La platina es recolza en separadors de baixa conductivitat tèrmica (per exemple, ceràmica o PEEK) per minimitzar la pèrdua de calor conductora.

Pràctica llista de verificació de selecció
Quan es dissenya una placa calefactora per a una premsa de buit amb cicles ràpids d'escalfament{0}}amunt i refredament-, s'han de documentar els paràmetres següents:

Paràmetre Valor típic / obligatori
Material de platina Aliatge d'alumini adequat per al buit (per exemple, . 2618, 2219 o 6061 amb aprovació d'alta-temp.)
Tipus d'escalfador Colat, revestit d'Incoloy-, alta densitat de-watt- (menys o igual a 20 W/cm2 a 400 graus)
Encapsulació de l'escalfador Sense buits, inspecció de raigs X-o ultrasònic validada
Canals de refrigeració: perforats, 5-15 mm per sota de la superfície de treball, refrigerats per aigua
Temperatura màxima de treball 400 graus (o segons sigui necessari)
Taxa d'escalfament objectiu-p. ex.. 50 graus/min de 50 graus a 400 graus
Taxa de refredament objectiu-per exemple,. 30 graus/min de 400 graus a 100 graus (refrigeració per aigua)
Taxa de fuites < 1 × 10⁻8 mbar L/s (prova de fuites He)
Validació de la FEAN tèrmica necessària per determinar els gradients de temperatura i l'estrès
Sensors de temperatura Múltiples zones, termoparells-aïllats minerals (tipus K o N)
Alimentació al buit Fuga d'heli comprovada hermèticament
Conclusió: Disseny integrat per a l'agilitat tèrmica
Una placa lleugera d'alumini amb un sistema de calefacció i refrigeració integrat i íntim és la platina ideal per a una premsa de buit de cicle ràpid, un disseny que posa l'agilitat tèrmica per sobre de tot. Gràcies a la seva baixa massa tèrmica, l'alumini proporciona calor-amunt i refredament-. Els escalfadors d'alta densitat de watts-permeten una entrada d'energia eficient i els canals d'aigua perforats directament eliminen la calor ràpidament. Els materials s'han de seleccionar acuradament perquè siguin compatibles amb el buit, els escalfadors s'han d'encapsular completament i les fuites d'heli s'han de provar amb un alt nivell. temperatura FEA s'utilitza per verificar que la platina no distorsiona ni desenvolupi tensions inacceptables amb cicles de temperatura ràpids. Els cicles tèrmics més ràpids els produeix l'eina més lleugera i integrada. Aquesta guia de selecció us ajudarà a especificar una placa de calefacció que ofereixi una resposta tèrmica ràpida i repetible per a la conformació avançada de compostos i altres operacions exigents de premsa al buit.