Kā izvēlēties sildīšanas plati vakuumpresei, kurai nepieciešams ātrs uzsildīšanas un dzesēšanas cikls?

Speciālai vakuuma presei ir jāveido un jāsacietē augstvērtīga{0}}termoplastiska kompozītmateriāla detaļa, pārejot no 50 grādiem aukstuma līdz 400 grādu temperatūrai un atkal uz leju dažu minūšu laikā. Klasiska, liela, ar eļļu uzkarsēta tērauda plāksne būtu termiskais sašaurinājums – ļoti ilgs laiks uzsilst un atdziest. Ātro termisko ciklu nodrošina plāksnes konstrukcija, kas samazina termisko masu un palielina kontaktu starp sildīšanu un dzesēšanu. Galvenais variants ir viegla alumīnija plāksne ar lielu-vatu-blīvuma sildītāju klāstu un tieši urbtu ūdens-dzesēšanas kanālu tīklu tīrā, ne{10}}konvektīvā vakuuma vidē.

Šajā rakstā ir piedāvāta sistemātiska metodika sildīšanas plāksnes vakuuma preses ātrā cikla izvēlei, ņemot vērā materiālus, sildīšanas un dzesēšanas integrāciju, vakuuma savietojamību un validācijas metodoloģijas.

Kāpēc alumīnijs ir priekšroka ātrai riteņbraukšanai vakuumā?
zema termiskā masa ātrai reakcijai
Alumīnijs ir izvēlēts tā zemā blīvuma (apmēram 2700 kg/m3) un mērena īpatnējā siltuma (apmēram 0,90 kJ/(kg·K)) dēļ. Alumīnija plāksne svara ziņā ir apmēram trešdaļa no tērauda plāksnes noteiktam plāksnes izmēram. Attiecīgi tiek samazināta siltuma jauda uz laukuma vienību, ti, alumīnija plāksne uzsilst apmēram trīs reizes ātrāk nekā tērauds ar tādu pašu sildītāja jaudu. Ja turpretim tiek izmantota dzesēšana, uzkrātais siltums tiek izkliedēts ātrāk, jo ir mazāk enerģijas, ko noņemt.

Alumīnija plāksnei ir viegls, veikls korpuss, jaudīga, ātri pukstoša-sirds un atvēsinošu vēnu tīkls, kas ir izveidots, lai nenogurstoši pārspētu no aukstuma uz karstu un atpakaļ.

Izplūdes un hoover saderība
Būtiska problēma ar vakuuma presi (parasti 1 mbar) ir materiāla izdalīšanās no gāzēm. No standarta alumīnija sakausējumiem var izdalīties mitrums, ogļūdeņraži un oksīdi. Lai nodrošinātu hoover pakalpojumu, ir jāizmanto augstas tīrības pakāpes alumīnija sakausējums, kas ir saderīgs ar hoover. Pareizi tīrot un cepot vakuumā, plaši tiek izmantotas tādas kategorijas kā 6061 vai 5083 T6 temperācijā. Alumīnija oksīda slānis, kas spontāni veidojas uz virsmas, ir stabils un maz izplūst. Vakuuma kamerā nedrīkst izmantot krāsas, pārklājumus vai anodētus slāņus, jo tie saglabā gaistošus elementus.

Integrēta apkure, sildītāji ar lielu-vatu-blīvumu
Kāpēc priekšroka tiek dota Cast{0}}sildītājiem:
Termiskajam kontaktam starp sildītāju un plāksni jābūt pēc iespējas ciešam, lai ātri uzkarstu. Gaisa spraugas vai presēti-kasetņu sildītāji rada kontakta pretestību, kas kavē siltuma pārnesi un rada temperatūras gradientus. Labākais risinājums ir ieliet cauruļveida sildītājus tieši alumīnija korpusā. Šajā procedūrā sildītājus (parasti Incoloy-apvalku, liela-vatu-blīvuma elementus) uzstāda liešanas veidnē un ap tiem ielej izkausētu alumīniju. Alumīnijs sacietē ciešā saskarē ar sildītāja apvalku, veidojot tukšumu-beztu, zemas-pretestības termisko saskarni.

Visiem ielietajiem sildītājiem jābūt pilnībā noslēgtiem un bez tukšumiem. Jebkura porainība vai sprauga starp sildītāju un alumīniju darbojas kā siltumizolators un izraisa lokālu pārkaršanu un efektīvā siltuma pārneses ātruma samazināšanos. Iekapsulēšanas integritāti pēc izliešanas pārbauda ar rentgena vai ultraskaņas pārbaudi.

Augsts vatu blīvums ātrai jaudas ievadei
Lai ātri uzsiltu{0}} (piemēram, 50 grādi minūtē vai vairāk), sildītāja vatu blīvumam ir jābūt lielam. Standarta alumīnija kārtridžu sildītāji ir ierobežoti līdz 10–15 W/cm2, taču īpaši izstrādāti caurulēs ielietie sildītāji var darboties ar 20–30 W/cm2 vai lielāku jaudu, jo alumīnija lējumi nodrošina lielisku siltuma sadali un efektīvi novērš siltumu no apvalka. Tomēr augstākās darba temperatūrās (virs 300 grādiem) vatu blīvums ir jāsamazina, lai izvairītos no apvalka pārkaršanas. Incoloy apvalki (novērtēts līdz 750 grādiem) ir nepieciešami 400 grādu mērķim, un vatu blīvums tiek uzturēts līdz 20 W/cm2.

Zonēšana un sildītāja izkārtojums
Plāksne ir atlieta ar vairākām neatkarīgām sildīšanas zonām, lai nodrošinātu precīzu temperatūras kontroli un kompensētu malu zudumus. Parasti galveno darba telpu ieskauj galvenā zona, un perimetra zona ir nedaudz karstāka, lai kompensētu siltuma zudumus pie robežām. Sildītāji ir sakārtoti serpentīna vai režģa konfigurācijā, lai izveidotu viendabīgu siltuma plūsmu. Termiskā galīgo elementu analīze (FEA) tiek izmantota, lai optimizētu atstatumu un jaudas sadalījumu.

Integrēta dzesēšana: tieši ūdens ceļi
Dzesēšanas kanāli ir izurbti tuvu darba virsmai
Lai ātri atdziestu, siltums ir labi jāizkliedē. Vislabākais veids ir cirkulēt dzesēšanas šķidrumu (parasti ūdeni) tieši caur kanāliem, kas urbti platē. Šie kanāli atrodas pēc iespējas tuvāk darba virsmai, parasti 5–15 mm attālumā no augšējās virsmas, ļaujot ātri izvadīt siltumu no sagataves. Kanāli parasti tiek urbti paralēli vai spirālveida konstrukcijā un ir savstarpēji savienoti ar ārējiem kolektoriem.

Vakuuma preses dzesēšanas ūdens sistēmai jābūt pilnībā noslēgtai un bez noplūdēm. Jebkurš ūdens noplūde vakuuma kamerā izraisītu tūlītēju procesa kļūmi un iespējamu vakuuma sūkņu bojājumu. Tāpēc dzesēšanas kanāli tiek apstrādāti (urbti) pēc tam, kad plāksne ir izlieta, un kanālu gali ir noslēgti ar metinātiem aizbāžņiem vai ar vakuuma -novērtētiem veidgabaliem. Visa dzesēšanas ķēde tiek pārbaudīta ar hēlija noplūdes ātrumu zem 1 x 10-8 mbar.L/s.

Dzesēšanas ātruma problēmas
Iespējamais atdzišanas ātrums{0}}ir atkarīgs no ūdens plūsmas ātruma, temperatūras pie ieplūdes un alumīnija siltumvadītspējas (apmēram 167 W/(m·K) 6061). Alumīnijam ir lieliska vadītspēja, kas palīdz ātri pārnest siltumu no darba virsmas uz dzesēšanas kanāliem. Izmantojot atbilstoši izstrādātus kanālus, 400 grādu plāksni var atdzesēt līdz 100 grādiem 5–10 minūtēs atkarībā no biezuma.

Ātrākajos ciklos tiek izmantots dzesēšanas ūdens ar lielu plūsmas ātrumu (turbulenta plūsma), un tas var būt iepriekš-atdzesēts (piemēram, līdz 10–20 grādiem). Tomēr jāņem vērā alumīnija izturība pret termisko triecienu. Ātra dzesēšana no augstas temperatūras var izraisīt termiskus spriedzi. Konstrukcijai vajadzētu nodrošināt kontrolētu rampas nolaišanu, nevis ātru dzēšanu.

Mehāniskās un termiskās konstrukcijas apstiprināšana
Termiskā FEA deformācijas un stresa prognozēšanai
Ātrie sildīšanas un dzesēšanas cikli rada ievērojamus temperatūras gradientus plāksnes iekšpusē, kas izraisa termiskās izplešanās neatbilstības un iekšējo spriedzi. Ja šie spriegumi pārsniedz alumīnija tecēšanas robežu (kas krīt augstā temperatūrā), plāksne var tikt neatgriezeniski deformēta. Termisko FEA izmanto, lai modelētu īslaicīgu temperatūras sadalījumu standarta cikla laikā. Analīze paredz, ka:

Maksimālie temperatūras gradienti (piemēram, starp darba virsmu un aizmuguri).

Rezultātā radušās novirzes un termiskās deformācijas.

Lai samazinātu termisko šoku, ir nepieciešama dzesēšanas ūdens iepriekšēja-sildīšana vai pakāpeniska dzesēšana.

FEA rezultāti tiek izmantoti, lai optimizētu sildītāju un dzesēšanas kanālu novietojumu, lai samazinātu gradientus. Plate ir izgatavota simetriskas (sildītāja un kanālu raksti atspoguļoti aptuveni vidusplaknē), lai samazinātu noliekšanos.

Hēlija noplūdes pārbaude
Turpretim vakuuma prese darbojas augstā vakuumā (parasti 0,1 mbar), un jebkura noplūde plāksnē vai nu no lējuma tukšuma, kas ir savienota ar virsmu, vai no metināšanas dzesēšanas kanālā, būs katastrofāla. Visam plāksnītes komplektam pēc izgatavošanas tiek veikta hēlija noplūdes pārbaude. Plate tiek ievietota vakuuma kamerā vai pievienota hēlija masas spektrometram. Hēlijs tiek injicēts ap visiem iespējamiem noplūdes kanāliem (sildītāja galiem, dzesēšanas kanālu spraudņiem, sensoru pieslēgvietām). Noplūdes ātrumam jābūt zem noteikta sliekšņa, parasti augsta -vakuuma lietojumiem 1 × 10–81 × 10–8 mbar·L/s.

Materiālu izvēle augstas temperatūras izturībai
Standarta alumīnija sakausējumi (piemēram, 6061-T6) zaudē lielu daļu no savas stiprības 400 grādu temperatūrā. T6 temperaments ir atvieglots un novecojis. Ilgstošai darbībai virs 250 grādiem ir nepieciešams termiski stabilāks sakausējums. Vai AA 2618 vai AA 2219 .Tie ir nokrišņu cietināšanas sakausējumi. Tie saglabā labāku izturību paaugstinātā temperatūrā. Alternatīvi var izmantot vakuuma alumīnija silīcija sakausējumu ar vara un magnija piedevām (piemēram, 354 vai 355). Izvēlētajam sakausējumam nedrīkst būt arī elementi (piemēram, cinks vai svins), kas vakuumā izdalās.

Citas sastāvdaļas un integrācija
Temperatūras sensori
Plate ir aprīkota ar vairākiem K vai N tipa termopāriem precīzai ātru ciklu kontrolei. Tiem jāatrodas tuvu darba virsmai, kā arī tuvu dzesēšanas kanāliem. Termopāriem ir nepieciešami vakuumam piemēroti, ar minerālu -izolēti metāla apvalki (Inconel vai nerūsējošais tērauds) un hermētiski caurumi vakuuma kameras ārpusei.

Sildītāja un dzesēšanas līnijas vakuuma caurumi
Visai elektriskajai jaudai uz sildītājiem un visām dzesēšanas šķidruma līnijām jāplūst cauri vakuuma kameras sienai caur hermētiski noslēgtiem caurumiem. Elektriskie sildītāji izmanto vairāku-kontaktu keramikas savienotājus. Ūdens dzesēšanai nepieciešamas metinātas silfonas vai kompresijas tipa vakuuma veidgabali (piemēram, VCR vai ConFlat). Šie caurumi ir jāpārbauda arī attiecībā uz hēlija noplūdēm.

Siltumizolācija un aizsardzība pret radiāciju.
Vakuumā siltuma pārnese notiek tikai ar starojumu un vadīšanu caur cietiem kontaktiem. Radiācijas vairogi (pulēta nerūsējošā tērauda vai alumīnija loksnes) ir uzstādīti ap plati, lai samazinātu siltuma zudumus uz vakuuma kameras sienām un aizsargātu jutīgās sastāvdaļas. Plāksne ir balstīta uz starplikām ar zemu siltumvadītspēju (piemēram, keramikas vai PEEK), lai samazinātu vadošās siltuma zudumus.

Ērts atlases kontrolsaraksts
Izstrādājot sildīšanas plāksni vakuuma presei ar ātriem uzsildīšanas{0}}uzsildīšanas un dzesēšanas-cikliem, ir jādokumentē šādi parametri:

Parametrs Tipiskā vērtība / nepieciešama
Plāksnes materiāls Alumīnija sakausējums, kas piemērots vakuumam (piemēram, . 2618, 2219 vai 6061 ar augstu-temperatūras apstiprinājumu)
Sildītāja tips Ieliešana, Inkoloy{0}}apvalks, augsts-vatu-blīvums (mazāks vai vienāds ar 20 W/cm2 pie 400 grādiem)
Sildītāja iekapsulēšana Bez tukšuma, pārbaudīta rentgena vai ultraskaņas pārbaude
Dzesēšanas kanāli: urbti, 5-15 mm zem darba virsmas, ūdens dzesēšana
Maksimālā darba temperatūra 400 grādi (vai pēc vajadzības)
Mērķa sasilšanas -paaugstināšanas ātrums, piemēram, . 50 grādi/min no 50 grādiem līdz 400 grādiem
Mērķa dzesēšanas-nolaišanas ātrums, piemēram, . 30 grādi/min no 400 grādiem līdz 100 grādiem (ūdens dzesēšana)
Noplūdes ātrums < 1×10⁻8 mbar L/s (He noplūdes tests)
Termiskā FEA validācija Nepieciešama, lai noteiktu temperatūras gradientus un spriegumu
Temperatūras sensori Vairākas zonas, minerālizolēti{0}}termopāri (K vai N tips)
Vakuuma caurlaides Hēlija noplūde pārbaudīta hermētiski
Secinājums: integrēts dizains termiskai veiklībai
Viegla alumīnija plāksne ar integrētu, intīmu apsildes un dzesēšanas sistēmu ir ideāls pamatne ātrai vakuuma presei, kura dizains izceļ termisko veiklību augstāk par visu. Pateicoties tā zemajai termiskajai masai, alumīnijs nodrošina ātru uzsilšanu-un atdziest-. Liels vatu blīvums, kas ieliets-sildītājos, nodrošina efektīvu jaudas ievadi, un tieši urbtie ūdens kanāli ātri noņem siltumu. Materiāli ir rūpīgi jāizvēlas, lai tie būtu saderīgi ar vakuumu, sildītājiem jābūt pilnībā iekapsulētiem un hēlija noplūdes pārbaudei atbilstoši augstiem standartiem. temperatūras FEA izmanto, lai pārbaudītu, vai plāksne neizkropļo vai nerada nepieņemamus spriegumus ar straujiem temperatūras cikliem. Ātrākos termiskos ciklus nodrošina vieglākais un ciešāk integrētais instruments. Šī atlases rokasgrāmata palīdzēs jums noteikt sildīšanas plāksni, kas nodrošina ātru, atkārtojamu termisko reakciju progresīvai kompozītmateriālu formēšanai un citām prasīgām vakuuma presēšanas darbībām.