Wat doen ze?

Baffles en bubblers zijn delen van koelleidingen die de koelmiddelstroom omleiden naar gebieden waar normaal geen koeling zou zijn. Koelkanalen worden meestal door de matrijsholte en -kern geboord. De mal kan echter gebieden bevatten die te ver weg liggen om reguliere koelkanalen te plaatsen. Alternatieve methoden om deze gebieden gelijkmatig met de rest van het onderdeel te koelen, zijn het gebruik van schotten, bubblers of thermische pennen, zoals hieronder getoond.

FIGUUR 1. Baffle, bubbler en thermische pin

Baffles

Een baffle is eigenlijk een koelkanaal dat loodrecht op een hoofdkoelleiding is geboord, met een blad dat één koeldoorgang scheidt in twee halfronde kanalen. De koelvloeistof stroomt aan de ene kant van het blad vanaf de hoofdkoelleiding, draait rond het uiteinde naar de andere kant van de baffle en stroomt dan terug naar de hoofdkoelleiding.

Deze methode levert maximale doorsneden voor de koelvloeistof, maar het is moeilijk om de verdeler precies in het midden te monteren. Het koeleffect en daarmee de temperatuurverdeling aan de ene kant van de kern kan verschillen van die aan de andere kant. Dit nadeel van een anders voordelige oplossing, wat de fabricage betreft, kan worden geëlimineerd als de metalen plaat die de baffle vormt, wordt gedraaid. Het helixschotelvlak bijvoorbeeld, zoals getoond in figuur 2 hieronder, voert de koelvloeistof in de vorm van een helix naar het uiteinde en terug. Het is bruikbaar voor diameters van 12 tot 50 mm en zorgt voor een zeer homogene temperatuurverdeling. Een andere logische ontwikkeling van baffles zijn enkele of dubbele spiraalkernen, zoals getoond in Figuur 2 hieronder.

FIGUUR 2. (Links) Helix-baffle. (Rechts) Spiraalvormige baffle.

Bubblers

Een bubbler is vergelijkbaar met een baffle, behalve dat het blad vervangen is door een klein buisje. De koelvloeistof stroomt in de bodem van het buisje en "borrelt" er aan de bovenkant uit, net als bij een fontein. De koelvloeistof stroomt dan langs de buitenkant van de buis naar beneden om verder te stromen door de koelkanalen.

De meest effectieve koeling van slanke kernen wordt bereikt met bubblers. De diameter van beide moet zo worden ingesteld dat de stromingsweerstand in beide dwarsdoorsneden gelijk is. De voorwaarde hiervoor is:

Binnendiameter / Buitendiameter = 0,707

Bubblers zijn in de handel verkrijgbaar en worden meestal in de kern geschroefd, zoals getoond in Figuur 3 hieronder. Tot een diameter van 4 mm moet de slang aan het uiteinde worden afgeschuind om de doorsnede van de uitlaat te vergroten; deze techniek wordt geïllustreerd in figuur 3. Bubblers kunnen niet alleen worden gebruikt voor het koelen van de kern, maar ook voor het koelen van vlakke matrijsdelen die niet kunnen worden voorzien van geboorde of gefreesde kanalen.

FIGUUR 3. (Links) Bubbler in de kern geschroefd. (Rechts) Bubbler afgeschuind om uitlaat te vergroten

OPMERKING: Omdat zowel baffles als bubblers een kleiner stromingsgebied hebben, neemt de stromingsweerstand toe. Daarom is voorzichtigheid geboden bij het ontwerp van de grootte van deze apparaten. Het stromings- en warmteoverdrachtsgedrag voor zowel baffles als bubblers kan eenvoudig worden gemodelleerd en geanalyseerd met de C-MOLD koelanalyse.

Thermische pennen

Een thermische pin is een alternatief voor baffles en bubblers. Het is een afgesloten cilinder gevuld met een vloeistof. De vloeistof verdampt wanneer het warmte onttrekt aan het gereedschapsstaal en condenseert wanneer het de warmte afgeeft aan de koelvloeistof, zoals getoond in afbeelding 4. De warmteoverdrachtsefficiëntie van een thermische pen is bijna tien keer zo groot als die van een koperen buis. Voor een goede warmtegeleiding moet je een luchtspleet tussen de thermische pen en de mal vermijden, of deze opvullen met een sterk geleidend afdichtmiddel.

FIGUUR 4. Warmteoverdrachtsrendement van de thermische pen

Slanke kernen koelen

Als de diameter of breedte erg klein is (minder dan 3 mm), is alleen luchtkoeling haalbaar. De lucht wordt tijdens het openen van de matrijs van buitenaf op de kernen geblazen of stroomt van binnenuit door een centraal gat, zoals getoond in figuur 5. Deze procedure maakt het natuurlijk niet mogelijk om de matrijstemperatuur exact te handhaven. Met deze procedure is het natuurlijk niet mogelijk om een exacte matrijstemperatuur aan te houden.

FIGUUR 5. Luchtkoeling van een slanke kern

Een betere koeling van slanke kernen (van minder dan 5 mm) wordt bereikt door inzetstukken te gebruiken die gemaakt zijn van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals koper of beryllium-koper materialen. Deze techniek wordt geïllustreerd in Figuur 6 hieronder. Dergelijke inzetstukken worden in de kern geperst en steken met hun basis, die een zo groot mogelijke dwarsdoorsnede heeft, uit in een koelkanaal.

FIGUUR 6. Gebruik van materiaal met een hoge thermische geleiding om een slanke kern te koelen

Koelen van grote kernen

Voor grote kerndiameters (40 mm en groter) moet een positief koeltransport worden verzekerd. Dit kan met inzetstukken waarbij het koelmiddel de kernpunt bereikt via een centrale boring en via een spiraal naar de omtrek wordt geleid, en tussen kern en inzetstuk spiraalvormig naar de uitlaat, zoals getoond in figuur 7. Dit ontwerp verzwakt de kern aanzienlijk. Dit ontwerp verzwakt de kern aanzienlijk.

FIGUUR 7. Gebruik van spiraalvormige baffle om grote kern te koelen

Koeling cilinderkernen

Het koelen van cilinderkernen en andere ronde onderdelen moet gebeuren met een dubbele helix, zoals hieronder getoond. De koelvloeistof stroomt naar de kernpunt in één helix en keert terug in een andere helix. Om ontwerpredenen moet de wanddikte van de kern in dit geval minstens 3 mm zijn.

FIGUUR 8. Dubbele helix met middelste bubbler