热管模芯： 降低工程塑料注塑能耗的崭新路径

技术塑料零件加工市场既庞大又利润丰厚。德国2019年的产量为330万吨，营业收入为193亿欧元。因此，在增值之后，一吨工程塑料的平均转售价格约为6000欧元，明显高于整个塑料加工行业每吨4500欧元的平均价格。尽管工程塑料在产量中所占的份额并不大，但数据显示，这些具有特殊性能的部件的售价远高于平均水平。但是，其销售收入的很大一部分必须投资于工艺。尤其是，常规能源支出正逐渐成为成本驱动因素之一。

模温控制所需的能源平均占能源总需求的37%（图1），是消耗主力之一。大部分由工程塑料制成的产品能够满足很高的机械要求，同时具有设计的结构刚度并且功能高度集成。因此可以假设这些部件大部分是通过注塑成型生产的。假设90%的部件是注塑成型的，那么它们将消耗德国约6TWh的能源，由此产生的成本约为11亿欧元。

温度控制单元的绝对消耗量可以通过加热功率百分比15%来计算（图1）。能源需求根据最常见的工程塑料（ABS、SAN、PC、PMMA、ASA、PBT、POM和PA）的平均焓确定，并且假设塑料必须从30°C的平均温度加热至275°C的熔体温度。

将所需的能源转化为等量的二氧化碳排放量变得越来越重要。它最终等同于约240万吨二氧化碳排放量，相当于德国汉堡总人口——约200万户家庭（每户四人）的能源消耗，或往返德国杜塞尔多夫和慕尼黑的25万多趟航班的能源消耗。

为什么需要这么多耗费成本的能源

在注塑模具的温度控制过程中，模腔中尽可能均匀的温度分布在大多数情况下对于质量和周期时间而言非常关键。因此，通常需要将水泵入模具来调节温度，并用温度控制单元加热，这些都是高耗能的。如果复杂的工件结构的温度控制工作量特别大，通常会在每个模具侧使用多个温度控制单元。随机样本在实践中表明，在每周工作5.2天且利用率为90%的情况下，每个温度控制单元每年大约需消耗5500欧元的能源成本。这些数字可能因泵系统不同而有所变化，但加热量仍占能源消耗的一大部分。

传统温度控制的缺点

注塑成型能够生产复杂的模制部件，通常需要借助同样复杂的模具设计。对于许多要求严苛的应用而言，在模具中使用水和铜的传统温度控制方法（图2左）通常是不够的。局部热量积聚（热点）的发生对周期影响巨大，因此必须避免。据估计，大约30%的注塑模具没法在模腔处达到均匀的温度，其结果是周期时间延长。
狭长区域存在一个根本的问题，其中的水因为层流行为而不起作用。同样易受层流影响的还有随形温控系统。该系统使用的是冷却通道小的增材制造或真空钎焊模具嵌件。

此外，具有绝缘作用的沉积物会在介质输送通道中形成，阻碍热流，或在极端情况下导致模具元件发生无法修复的故障。因此，明智的做法是投资水处理系统，因为维护周期以及附带的设置过程都极其耗费成本并可能导致重装错误。

模具的复杂性也是由横向于顶出器的温度控制通道造成的。客户通常会在不考虑温度控制的情况下指定顶出器的位置，但由于空间不足，设计通常会变得更复杂。

铜嵌件通常位于关键区域。但是，该系统通常需要为辅助设备付出更多工作量。模具壁温与除热水温之间存在很小的温差，所以热流很小。为了有效传热，还必须使用单独的冷却通道回路和温度控制单元来降温，因此带来了额外的设计工作量。制冷系统也是消除热点的方法之一，但它们的成本非常高。

如何减少如此大量的能源？

德国比勒费尔德应用科技大学的一个研究项目正在努力使用所谓的热管技术（图2右）来节省大量能源，并缩短技术塑料部件的注塑成型周期。热管的传热率比铜高很多倍。根据散热器的设计和模芯的排列，它可以沿着顶出器的路线传输。这不仅增加了设计自由度，而且减少了制造工作量。借助这项技术，即使在非常狭窄的区域内也可以延长自由形冷却通道的使用寿命。由于该系统高度密封，即使在超窄的冷却通道中也不会形成杂质，因此不会发生传统温度控制方法可能带来的无法修复的故障。

热管是内部负压的密封管，通常装有少量水（图3）。负压会导致水在低至约20°C时蒸发。管子分为三个部分：热源、散热器和热分离区。在热源处，当水经历从液体到蒸汽的相变时，热能从模具中被提取，从而产生了冷却的效果。蒸汽成为了能源载体并流向散热器，然后因为环境温度低而冷凝。因此，热能向周围释放。水流回热源再次蒸发。

模芯变成具有冷却效果的空心体

散热效果可以通过市售热管的初始测试得到证实。此外，他们还开发了一种精确的模拟工具。热模拟能够在早期开发阶段对热点进行定位，然后确定要消散的热量。热管模芯提供了传统方法无法实现的消除热点的机会。因此，冷却时间能够被缩短。

与过去不同，比勒费尔德应用科技大学将模芯用作结构集成的热管；所以模芯本身就是热管。原则上，这些模芯都是内部中空的，并且在制造过程中抽成真空并填充定量的纯水。与传统的组装热管相比，其优势包括定量的可重复填充、模腔到蒸汽腔更好的热传导，以及更大的设计自由度。

水冷却与结构集成的增材制造热管冷却可通过一个简单的试验模具进行比较。该零件代表由两个模芯形成的套筒。模芯系统的分模面从零件中心延伸，形成对称并方便对两个系统进行比较。套管状部件的下端用传统的水冷芯进行温度控制，而上端则设计成结构集成的热管芯（图4）。

 在测试系列中（表1），模具被夹在Allrounder 370 E注塑机（制造商：阿博格）上。温度通过热成像系统（制造商：英福泰克）测定。该系统是一个型号为PIR uc 180的红外相机，软件为Irbis 3。其结果的图解评价用Excel完成。模具通过带有速度控制泵的节能温度控制单元冷却。根据部件光学质量的不同，工艺的极限由最短的周期确定。

模芯温度可以通过热成像记录零件内部的温度（图5）并计算接触温度来确定。ABS的模芯温度稳定在91°C，PP的模芯温度为60°C。部件两端零件质量相同，因此水冷和热管芯冷却部件的直接比较未发现差异。
热管的散热效果可以在水冷的纯热传导基础上进行论证。因此，热管中的真空被溶解，模芯仅通过钢本身的热传导进行冷却。结果表明部件质量不耐用，新模芯一侧的部件在第五个周期已经翘曲（图6），而水冷一侧则没有发生变形。

节省资金和周期时间

通过使用以热管为模具元件的新方法，能源用量和周期时间都产生了直接明显的改善。其功能可以在实际操作中证明。模芯的冷却通过冷水而不是温度控制单元进行。如果希望设置不同的模芯温度，有三个基本参数可用：真空和液体量可以改变，传热性能会受到散热器温度的影响，例如，通过循环水流。原则上，热管脉冲温度控制是可以想象的。

此外，比勒费尔德应用科技大学还将对散热器的对流温度控制进行研究，从而使模具完全摆脱水并且淘汰泵及其电源。

来源：荣格-《国际塑料商情》


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