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Fiorotto, Marco (2012) Mould thermal control for production of weldline-free and high-gloss parts. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In recent years, the requirement for a much thinner, lighter and better mechanical performing product is more and more important for the company. Such development tendency causes great challenges for conventional injection moulding process (CIM) in mould design, polymeric materials and moulding process. These challenges are mainly caused by the cool cavity surface which freezes the polymer melt prematurely during filling stage. The resulting frozen layer has a number of adverse effects on the surface qualities and mechanical performances of plastic parts. A new rapid heat cycle moulding (RHCM) process has been developed to overcome the limits of the conventional injection moulding process. In this novel technique the cavity surface is heated to a temperature close to the glass transition temperature before melt injection. The elevated mould temperature allows to produce perfectly smooth, thin-walled, complex shaped, and micro structured plastic products with low molecular orientation and residual stress. In order to dynamically control the mould cavity temperature according to the RHCM process requirement, a special auxiliary system is required. Development of capable techniques for rapidly heating and cooling a mould with a relatively large mass is technically challenging because of the constraints set by the heat transfer process and the endurance limits set by the material properties. Most of available heat generation technologies allow to heat the mould efficiently, but still have a lot of shortcomings to be applied in mass production. In spite of its industrial relevance, there are several aspects of this novel process that need to be understood completely.
In this Ph.D. dissertation, an innovative heating and cooling system based on the use of metallic foams has been developed by means of both a numerical and an experimental approach. An open-cell metal foam is a kind of porous medium that is emerging as an effective method of heat transfer enhancement, due to its large surface area to volume ratio and high thermal conductivity. Instead of conventional channels, the entire space below the cavity can be used for heating and/or cooling, while the metallic foam allows an efficient through flow of water. The metallic foam provides mechanical support and simultaneously generates a cavity structure.
The aims of this Ph.D. dissertation consist on developing a new heating/cooling system to overcome the limitations of the available technologies and increasing the scientific knowledge about the RHCM process. Several aspects of this new manufacturing process have been studied.

(i) The feasibility of using aluminum foams in the heating and cooling system of injection moulds has been evaluated. A prototype mould for double gated tensile specimens was designed.
(ii) The finite element method (FEM) was used to analyze the structural deflection of the metallic foam and cavity surface at elevated temperature. A 3D computational fluid dynamic (CFD) simulation was performed to evaluate the thermal behaviour of the mould during the heating and cooling phases.
(iii) The mould was manufactured and a test production was carried out. The accuracy of the numerical approach has been verified, comparing the numerical results with experimental data.
(iv) The performances of the new RHCM system based on the use of metal foams were compared with the ones of a ball filled mould by means of experimental results. A cover plate for aesthetical applications was used as test case.
(v) The effect of fast variation of the mould temperature on the surface appearance of plastic parts, micro structured surfaces replication and weld line strength has been experimentally investigated.
(vi) The weld line developing process in micro injection moulding have been investigated. The influence of the main injection moulding process parameters on the mechanical properties and surface finish in the weld line zone was experimentally studied according to the Design of Experiments method. A visualization unit was integrated in the tool in order to observe the development of a micro scale weld line.

The work presented in this thesis was carried out mainly at the Te.Si. Laboratory, University of Padua, Italy, from January 2009 to December 2011, under the supervision of prof. Paolo Bariani and of Ing. Giovanni Lucchetta. Part of the research activity was performed at the Centre for Polymer Micro and Nano Technology, University of Bradford, Bradford, UK.

Abstract (italiano)

La richiesta di prodotti più leggeri, sottili e dotati di elevate proprietà meccaniche sta diventando un’esigenza sempre più importante negli ultimi anni in ambito industriale. Questa nuova tendenza sta imponendo nuove sfide nel processo di stampaggio a iniezione tradizionale e, in particolare, nuovi cambiamenti nella progettazione degli stampi, nella scelta dei materiali polimerici e nell’esecuzione del processo. La necessità di cercare nuove soluzioni tecniche è principalmente dovuta all’elevata differenza di temperatura tra il polimero fuso e la superficie fredda della cavità durante la fase di riempimento. Lo strato di materiale solidificato influenza negativamente le proprietà estetiche e meccaniche delle parti plastiche. Per superare i limiti che si riscontrano nel processo di stampaggio tradizionale è stata sviluppata una nuova tecnologia di stampaggio a iniezione con variazione rapida della temperatura dello stampo. L’innovativa tecnologia prevede il riscaldamento della superficie della cavità dello stampo fino ad una temperatura prossima alla temperatura di transizione vetrosa prima dalla fase di iniezione del materiale plastificato. L’elevata temperatura dello stampo consente di ottenere delle parti in materiale plastico caratterizzate da forme complesse, superfici perfettamente lisce, spessori sottili, superfici micro strutturate, ridotte orientazioni molecolari e tensioni residue. Tuttavia è necessario utilizzare un sofisticato sistema ausiliario per il controllo dinamico della temperatura della cavità dello stampo. Lo sviluppo di sistemi in grado di riscaldare e raffreddare rapidamente uno stampo dotato di massa relativamente elevata presenta degli aspetti critici legati ai vincoli imposti dallo scambio termico e ai limiti di resistenza imposti dai materiali impiegati. La maggior parte delle tecnologie attualmente disponibili per generare calore consentono di riscaldare efficientemente lo stampo, ma presentano molte carenze che ne limitano l’impiego in applicazioni per produzioni di massa. A dispetto della sua rilevanza industriale, ci sono diversi aspetti di questo processo produttivo che necessitano di essere compresi completamente.
In questo lavoro di tesi, è stato sviluppato un innovativo sistema di riscaldamento e raffreddamento rapido basato sull’impiego di schiume metalliche, seguendo un approccio sia numerico che sperimentale. Le schiume metalliche a celle aperte sono una nuova tipologia di mezzi porosi che si sta imponendo come un’effettiva soluzione da impiegare per incrementare lo scambio termico, grazie all’alto rapporto tra superficie e volume del materiale e l’elevata conducibilità termica. Rispetto ai canali di raffreddamento tradizionali, l’intero spazio sotto la cavità può essere impiegato per riscaldare e/o raffreddare, mentre la schiuma consente il passaggio del flusso di acqua di condizionamento al suo interno. La schiuma metallica fornisce il necessario supporto meccanico, generando contemporaneamente una cavità strutturata.
Gli scopi della presente tesi di dottorato consistono nello sviluppare un nuovo sistema di condizionamento dello stampo che consenta di superare i limiti delle attuali tecnologie e nell’approfondire la conoscenza scientifica del processo di stampaggio a iniezione con variazione ciclica della temperatura. Sono stati studiati diversi aspetti di questo nuovo processo produttivo.

(i) È stata esplorata la possibilità di applicare inserti in schiuma metallica nel sistema di condizionamento dello stampo. A tale scopo è stato progettato un nuovo prototipo di stampo per provini per prove di trazione dotati di due punti di iniezione.
(ii) Attraverso il metodo agli elementi finiti è stata analizzata la deflessione in corrispondenza della schiuma metallica e della superficie della cavità ad elevata temperatura. È stata eseguita una simulazione fluidodinamica per valutare l’evoluzione della temperatura dello stampo durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento.
(iii) Dopo aver realizzato lo stampo è stato condotto un test di produzione. L’accuratezza della strategia di progettazione basata sull’impiego di simulazioni numeriche è stata verificata confrontando i risultati numerici con i dati sperimentali.
(iv) Le prestazioni sperimentali del nuovo sistema per la variazione rapida della temperatura dello stampo basato sull’impiego di inserti in schiuma metallica sono state confrontate con quelle di un sistema a letto di sfere. Una piastra per applicazioni estetiche è stata scelta come caso di prova.
(v) È stato studiato l’effetto della variazione rapida della temperatura dello stampo sulle proprietà estetiche delle parti stampate, la replicazione di superfici micro strutturate e la resistenza in corrispondenza della linea di giunzione.
(vi) Sono state analizzate le fasi di sviluppo della linea di giunzione nel processo di micro stampaggio a iniezione. Attraverso la metodologia del Design of Experiments (DOE) si è indagata sperimentalmente l’influenza dei parametri di processo sulle proprietà meccaniche in corrispondenza della linea di giunzione. Un sistema di visualizzazione è stato integrato nello stampo per consentire l’osservazione del processo di sviluppo di una linea di giunzione su scala micro.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto principalmente presso il laboratorio Te.Si. dell’Università di Padova, Italia, nel periodo compreso tra i mesi di gennaio 2009 e dicembre 2011, sotto la supervisione del prof. Paolo Bariani e dell’ing. Giovanni Lucchetta. Parte dell’attività di ricerca è stata condotta presso il Centre for Polymer Micro and Nano Technology (University of Bradford), Gran Bretagna.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Bariani, Paolo
Correlatore:Lucchetta, Giovanni
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 24 > Scuole 24 > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA DELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:30 Gennaio 2012
Anno di Pubblicazione:30 Gennaio 2012
Parole chiave (italiano / inglese):rapid heat cycle moulding, metal foams, weld lines, high gloss, microstructures, numerical simulation
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/16 Tecnologie e sistemi di lavorazione
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale
Codice ID:4914
Depositato il:15 Nov 2012 12:28
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