Konformal Cooling ya da Konformal Soğutma plastik enjeksiyon kalıpçılığında çokça duyduğumuz ancak hem kalıp maliyetini arttırdığından hem de oluşturacağı ek maliyete karşı kazandırıcakları net olarak bilinemediğinden uygulanmasından kaçınılan soğutma metodlarından bir tanesidir. Bu yazımızda konuyu özet bir çerçevede ele almaya ve Moldex3D’nin bu noktada kazandıracağı fayda ve katma değerlerden bahsetmeye çalışacağım.

Nedir Bu Konformal Soğutma Dedikleri ?

Klasik plastik enjeksiyon kalıpçılığı uygulamalarında kalıbın soğutulmasına kullanılan soğutma kanalları matkapla delinir. Bu kanallarda genellikle su ya da zaman zaman yağ vb. soğutma sıvıları geçirilerek dişi ve erkek kalıp çekirdek metalinin öncelikle soğutulması, bu sayede de kalıp içerisinde ki sıcak enjekte edilmiş ürünün soğutulması sağlanır.

Matkapla delinen soğutma kanalları büyük sıklıkla düzlemsel yüzeylere sahip olmayan sıcak ürünü, soğutmak için hem yetersiz hem de fazla gelir. Ürünün formlu yüzeylere sahip olması soğutma kanallarının, bazı bölgelerde ürüne çok yakın ancak bazı bölgelerde ise çok uzak geçmesini sağlar. Tahmin edileceği üzere bu durumda yakın bölgelerdeki ısı daha hızlı biçimde üründen uzaklaştırırken, uzak bögelerdeki ısının tahliyesi daha yavaş olacaktır.

İkinci olarak ise ürünün istenilen dayanımsal ihtiyacı karşılaması için bölgesel olarak farklı et kalınlıklarına sahip olması da sık rastlanılan bir durumdur. Bu durumda da kalın bölgelerden tahliye edilmesi gereken ısı daha fazlayken ince bölgelerde bu ihtiyaç daha düşük olacaktır.

Geleneksel Soğutmanın Muhtemel Dezavantajları

Bu ve bu gibi sebeplerden iki temel problem oluşur:

1. Bölgesel olarak eş zamanlı soğutma sağlanamayacağı için üründe final ölçüsel çarpılma ve/veya çökme bozuklukları ortaya çıkar. Ölçüsel hassasiyetin olduğu hallerde kalıbın devreye alımı haftalarca gecikebilir. Para, zaman, prestij ve belki müşteri kaybına bile sebep olabilir.
2. Çevrim süresi bakımından en son soğuyarak katılaşan bölgeyi beklemek durumunda olacağımızdan soğutma çevrimi süresi ve dolayısı ile toplam çevrim süresi uzun olacaktır. Bu durumda da daha maliyetli bir üretim yapılmak durumunda kalınacaktır. Bu maddi kayıp da üretilecek ürün adedi ile doğru orantılı olarak artmaktadır.

Konformal Soğutma Kanalları Tasarımı

Konformal soğutma kanallarında seri tasarım ve paralel tasarım olmak üzere iki temel metod bulunmaktadır. Seri tasarımda kalıp çeliğine tek su girişi ve tek çıkışı verilmektedir. Böylece yüzey ofsetinde tasarlanmış olan su kanalı aynı sıcaklığa sahip olacağından parçanın her bölgesinden eş soğutma sağlanmış olacaktır. İkinci olarak ise matkaplı geleneksel soğutma kanalındaki gibi köşe dönüşler olmadığından kanal içerisinde hem sabit su hızı hem de türbülanslı akış elde edilmiş olur. Bu da tüm yüzeyi türbülanslı akış ile soğutmaya imkan verir.

Tasarlanan soğutma kanalındaki türbülans Reynolds sayısı üzerinden aşağıdaki formül ile tahmin edilebileceği gibi Moldex3D içerisindeki “3D Coolant CFD” modülü ile de hassas olarak hesaplanabilir.

Bu formülde ro soğutucu akışanın öz kütlesi (su 1000kg/m^3), U akışkanın hızı (m/sn), d soğutma kanalı çapı (m) ve mu akışkanın dinamik viskozitesidir (su için 1.793e-3 Pa*s’dir.) Daha efektif soğutma için suyun türbülanslı olması; bunun için de hesaplanan Reynolds sayısının 4000’in üzerinde olması gerekir. (Not: Reynolds 2300 ila 4000 arası geçiş bölgesi olarak kabul edilir. 2300 Reynolds altı laminar akış bölgesidir.)

Konformal Soğutma Kanalı Ölçü Kriterleri

Konformal soğutma kanalı çapının belirlenmesi için ilk bakılacak husus parçamızın et kalınlığıdır. Örneğin 2-4 mm arasındaki parça et kalınlığı için 8-12 mm arasında su kanalı çapı seçilir. Bu halde kanallar arasındaki merkezden merkeze mesafe kanal kalınlığının 2 ila 3 katı, kanal merkezinin kaviteye uzaklığı ise 1.5 ila 2 kat olmalıdır. Örnek bir seri konformal su kanalı tasarımı erkek ve dişi kalıp yarımı için aşağıda verilmiştir.

Konformal Soğutma Kanalı Üretim Metodu: Seçimli Lazer Sinterleme (Selective Laser Melting):

Eklemeli İmalat (Additive Manufacturing) metodlarından bir tanesi olan SLM metodunda su kanallarının içinde bulunması istenen kalıp çekirdeği katmanlı şekilde 3D printer mantığında örülür. Önce ince bir katman toz metal serilir.  Bu toz metal lazer yardımıyla istenen bölgelerde eritilerek kaynaması sağlanır. Sonrasında yeni bir toz katmanı serilir ve istenen bölgeler kaynatılarak katman katman çekirdek üretilir.

Attığımız Taş Ürküttüğümüz Kurbağa

Ülkemizde de bu SLM konusunda imalat imkanları ucuz olmasa da mevcuttur. Önemli olan nokta tasarlayacağımız kalıp çekirdekleri imalatı için harcayacağımız SLM bedeli, ilgili üretimi geleneneksel matkap delikli soğutma kanalından konformal soğutma kanalına çevireceğimizde ürün kalitesi ve toplam çevrim süresi açısından ne kadar süre sonra amorti edeceğidir. Özellike küçük ebatlı parçalarda ve adetli üretimi beklenen ürünlerde birden fazla gözün aynı kalite ve hızda soğutulması istenen durumlarda amortisman süresinin kısalacağı açıktır. Bu noktada fayda-maliyet bakımından Moldex3D Conformal Cooling analizleri en doğru kararı vermenizi sağlayacaktır.

Örnek Moldex3D Analizi ve Sonuçları

Aşağıda geleneksel soğutma ve konformal soğutma olarak tasarlanan iki farklı enjeksiyon kalıbı için Moldex3D Conformal Cooling simülasyonu yapılmıştır. Konfomal soğutma tasarımı erkek çekirdeğin su kanallarının çökme izi oluşturan bölgede ürüne her noktada aynı mesafede olacak şekilde tasarlanmıştır.

Simülasyon sonucunda 0.15 mm çökme görünen bölgelerin kapladığı alan azalmış. Maksimum çökme miktarı daha kabul edilebilir 0.1 mm seviyesine indirilmiş, toplam 30 saniye olan çevrim süresinden 10 saniye tasarruf sağlanarak üretim hızı %33 arttırılmıştır.

Onur ALPAY, Mak. Yük. Müh., Bolu Şubat 2020