SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT INTÉRIER D`AIR

SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT INTÉRIER D’AIR
Les machines de soufflage de corps creux extrudent les résines plastiques au travers de la
tête (1) et déposent la matière plastique fondue qui forme la paraison (3) entre les deux
demi-moules. La paraison est ensuite coupée en morceaux convenables dans une cavité
(2), à l'intérieur d'un tel moule où l'air comprimé est introduit dans la préforme à travers
l'épingle de soufflage(4) ou la canne de soufflage. La pression augmente à l'intérieur de la
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La distribution de l'épaisseur de la paroi
n'est jamais égale sur la surface des pièces
moulées par soufflage. Le refroidissement
du moule n'est pas égal à la surface du
moule non plus.
Le transfert de la chaleur des parties
épaisses du produit moulé par soufflage
(comme le cou et les coins du fond de la
bouteille dans l'illustration suivante) à
travers une surface limitée du moule, n'est
pas égale à celle des parties à parois fines à
travers de larges surfaces. De fait, ceci cause
plus de (tensions) aux matières et la
déformation des produits moulés par
soufflage.
Le tension des matériaux mène à une qualité
inférieure, et le produit pour échouer au
tests de fuite de chargement ou
d'abaissement. Les mouleurs par soufflage
préforme en l'étirant sur les parois de la cavité. L'air ambiant entre la préforme et le
moule s'échappe à travers des évents(5) conçus dans le moule. L'eau fraîche passe
continuellement à travers les conduits
de refroidissement(6) autour de la cavité
qui se trouve à l'intérieur du moule(7)
refroidissant le moule jusqu'à une bonne
température. La grande différence entre
la température de la préforme chaude et
la surface froide de la cavité, conduit
une forte évacuation de la chaleur de la
pièce plastique formé. Le produit formé
(8) se solidifie dû au refroidissement et
garde la forme de la cavité (E) ensuite
les produits sont transférés à une station
de coupage où les parties excessives
sont taillées. La surface intérieure de la
pièce moulée par soufflage (creuse)
reste à une température beaucoup plus
élevée durant le processus de
refroidissement du moule.
La différence majeure entre la
température extérieure et intérieure cause des tensions matières.
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sont souvent forcés à augmenter l'épaisseur de la paroi par jusqu'à 10 % pour
passer les tests. L'augmentation du poids est liée à un coût plus élevé des matières et
une durée de cycle plus longue. La durée de refroidissement, qui est la partie la plus
longue du temps total du cycle du processus du moulage par soufflage, est souvent
prolongé pour enlever la chaleur à travers la paroi du moule, mais une différence de
température est toujours attendue. Le prolongement de la durée de refroidissement
retarde la production et diminue les profits.
La diminution de la température de l'eau fraîche dans le moule mène à une
amélioration limitée. L'utilisation d'eau pure fraîche avec une température entre 6 et 8°C
a été suggérée. Les fréquences de circulation d'eau fraîche doivent être les plus élevées
que possible pour créer une turbulence d'eau dans les conduits de refroidissement de la
moule. Ceci aide à l'extraction de plus de chaleur.
L'addition d'un anti-gel à l'eau fraîche afin d'appliquer des températures plus
basses a ses avantages. Les agents antigels ont normalement une baisse conductivité qui
abaisse l'enlèvement du produit dans le moule et la majorité d'entre eux ont une haute
viscosité qui diminue le fonctionnement de la pompe d'eau et diminue les fréquences de
circulation d'eau.
La diminution de la température de l'air ambiant sous le point de rosée permet à la
condensation d'avoir lieu sur les surfaces du moule, ceci ajoute un problème en plus
au processus (Voir la Protection de la zone de moulage).
Post cooling with internal air exchange adds one step in the process and
requires more space and equipment. Some of the stress could have taken place
during the mould cooling process or in the transition between the mould and the
post cooling station.
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Un système qui injecte du Nitrogène liquide ou du Dioxide de Carbone liquide à
l'intérieur du produit a prouvé être tres coûteux pour être appliqué, et n'est pas
idéal pour le refroidissement intérieur. Il est difficile de conduire la brume aux
endroits désirés dans le produit et la précision de la quantité de liquide injecté varie d'un
cycle à l'autre. Le système est aussi hazardeux et compliqué. La dépendence sur un
approvisionnement en liquide et l'augmentation des prix des liquides sont aussi des
facteurs à considérer.
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L'illustration suivante montre l'influence de la canne de soufflage et le plan (design)
de la vanne de soufflage sur la distribution de l'air à l'intérieur des produits moulés
par soufflage.
L'exemple (A) montre peu ou aucun échange d'air. (B) et (C) montrent une distribution
inégale. L'illustration (D) montre un échange d'air parfait et une parfaite distribution d'air.
Rainer Farrag et Herbert Maier ont passé plusieurs années en Europe pour
développer le système idéal pour le refroidissement intérieur d'air.
Le procédé de soufflage de moule le plus
avantageux est celui qui s'applique au
système de refroidissement intérieur d'air
avec une circulation d'air acceptable, une
température acceptable (pas plus que 5°C
mais pas moins que -40°C), est un bon
échange d'air turbulent. Un rafraichisseur
à air comprimé, avec des circuits intégrés
de refroidissement, est le coeur du
système.
L'échange d'air frais à l'intérieur du
produit durant la période de
refroidissement pour enlever la chaleur
des
surfaces
intérieures
réduit
considérablement la tension des
matières et le temps de refroidissement.
La bonne distribution d'air à l'intérieur
du produit est très importante pour
obtenir l'amélioration voulue. Les
aiguilles de soufflage et les cannes de
soufflage
doivent
être
conçues
individuellement pour chaque produit,
pour conduire l'air aux zones avec des
parois plus épaisses et les zones qui ne
sont pas bien refroidies par le moule. Il est
très important de créer une circulation
d'air à l'intérieur du produit.
Les vannes de soufflage doivent être conçues pour former un produit avec la plus grande
pression d'air disponible pour le procédé et ensuite réduire la pression d'air pendant que
l'air frais est échangé à l'intérieur du produit. Une pression suffisante doit être préservée à
l'intérieur du produit durant tout le temps du refroidissement pour maintenir le contact
entre le produit et le moule.
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L'échange d'air commence après le soufflage initial avec de l'air stagnant. Le temps
initial de soufflage
est fixé de façon à
être assez long
pour former la
partie et ventiler
les cavités du
moule. Les vannes
(B) et (C) sont
ouvertes et les
vannes (A) et (B)
sont fermées dans
le procédé initial
de soufflage. L'air
comprimé
(P)
circule aux cannes
de soufflage à
travers
le
connecteur de la
machine (M) et le distributeur de l'air (L). Une simple canne de soufflage dans la
configuration coaxiale est illustrée agrandie montrant l'air circulant dans tous les deux
conduits vers le produit. La pression indiquée par le manomètre (G) montre la pression
d'air maximum. Le produit formé et la cavité sont complètement ventilés.
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L'échange d'air suit le soufflement initial. Les vannes (B) et (D) sont ouvertes pendant
que (A) et (C) sont fermées. L'air circule maintenant vers le conduit extérieur de la canne
de soufflage à travers
le distributeur (L),
rince la bouteille en
enlevant la chaleur des
surfaces intérieures et
retourne à travers le
conduit intérieur de la
canne de soufflage à
travers les connecteurs
des machines (M)
envers
la
vanne
papillon (E) et ensuite,
finalement déchargée.
Le manomètre montre
une moindre pression.
La vanne papillon est
fixée
manuellement
pour
contrôler
la
pression
arrière
à
l'intérieur du produit et
les fréquences de la
circulation d'air devant
le
procédé
de
refroidissement.
Le
produit
est
profondément ventilé
avant d'ouvrir le
moule pour enlever le
produit. Les vannes
(A) et (D) sont
ouvertes et les vannes
(B) et (C) sont fermées.
Maintenant, la quantité totale d'air à l'intérieur du produit est déchargée à travers les
deux conduits dans la canne de soufflage et tous les deux la machine connectrice (M) et
le distributeur (L). Le manomètre ne montre aucune pression et le moule est ensuite
ouvert pour transférer le produit à la station d'ébarbage. Le procédé le plus simple de
refroidissement intérieur d'air avec une simple canne de soufflage coaxiale et une simple
configuration de blocage est illustré. La canne de soufflage peu contenir des conduits
multiples dans d'autres plans et le blocage de la vanne de soufflage peut-être différent
dans d'autres applications.
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Le soufflage à aiguille nécessite au moins deux aiguilles placées aussi loin que
possible dans le produit. Toutes les deux aiguilles seront utilisées pour fournir de l'air
comprimé pour le soufflage initial de la préforme. Durant le temps de refroidissement,
toutes les deux aiguilles s'alternent; une aiguille souffle de l'air à l'intérieur du produit et
l'autre décharge l'air chaud vers l'extérieur du produit (et en quelque sorte autour). Toutes
les aiguilles dégageront l'air en dehors du produit avant l'ouverture du moule. Il est évident
qu'un blocage différent de la soupape de soufflage sera utilisé en soufflant à travers les
aiguilles.
FarragTech a developpé un plan (design) d'aiguille coaxiale unique. Le plan est
opéré aussi simplement qu'une aiguille de soufflage.
L'augmentation de la circulation de l'air améliore les résultats, mais les relations
entre la circulation d'air et le temps de refroidissement ne sont pas linéaires.
L'échange d'air à l'intérieur d'un produit 5 fois pourrait mener a une augmentation dans la
production par 10%, mais une augmentation de la production de 15% pourrait résulter
quand l'air est échangé 10 fois durant le temps de refroidissement.
Les facteurs limitants comme une limite de l'épingle de soufflage ou les cannes de
soufflage ne pourraient pas permettre une fréquence élevée d'échanges d'air. Aussi, il faut
tenir compte du coût de l'air comprimé.
C'est un fait que de meilleurs résultats de refroidissement sont achevé avec des
températures plus basses d'air rafraîchi. Toutefois, la relation entre la température de
l'air et le temps de refroidissement n'est pas linéaire non plus. La diminution de la
température de 25°C à 5°C pourrait mener à une augmentation de la production de 20%,
mais une augmentation de 15% pourrait aboutir quand la température de l'air est abaissée
encore jusqu'à – 10°C. Les températures d'air en dessous de -40°C ont prouvé être
inutiles.
Les rafraîchisseurs d'air avec des circuits de refroidissements intégrés sont sans danger et
simples. Les composants de la ligne d'air comprimé jusqu'à 16 bars de pression et une
température aussi basse que – 40°C, y compris le matériel d'isolation, tuyaux flexibles et
les bobines des vannes sont des composants standards.
Un signal de soufflage par la machine est nécessaire pour commencer le procédé de
soufflage
par les vanness de soufflage fournies avec chaque système de
refroidissement intérieur d'air. Le signal est toujours disponible dans chaque machine
de moulage à soufflage, comme il est nécessaire d'opérer les vannes standards de
soufflage pour le procédé de soufflage conventionnel. Un signal additionnel de contrôle
est nécessaire pour que la machine de moulage par soufflage change du soufflage initial
(avec une pression maximum) à l'échange d'air avec une basse pression quand le
système de refroidissement intérieur d'air est appliqué. Les comandes de certaines
machines de moulage plus anciennes ne sont pas capables de transmetter ce signal au
système de refroidissement intérieur d'air. Dans de pareils cas une boîte extérieure de
contrôle est nécessaire pour créer les signaux requis.
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La plupart des systèmes de contrôle des machines à moulage ne sont pas conçus pour
contrôler la vanne de soufflage pour les applications de soufflage avec un soufflage
alternatif. Une boîte de contrôle extérieur est aussi requise dans de tels cas.
La boîte de contrôle illustrée est le centre
nerveux du système de refroidissement
intérieur. Elle est capable de contrôler deux
systèmes de soufflage dans deux machines de
moulage à soufflage avec Farrag Intelligent
Terminal (FIT – Terminal Intelligent de
Farrag) ou autres contrôleurs.
Quatre entrées pour signaux de soufflage des
machines à moulage sont permises en 20 – 280
V, AC/DC. Huit 24 V en sorties DC (Courant
Continu) sont disponibles pour opérer quatre
séries de vannes pour systèmes de refroidissement intérieur. Le logiciel conçu par
FarragTech pour applications différentes peut être chargé à l'intérieur de la boîte de
contrôle, qui est installée normalement ou proche de la machine de age à soufflage. Une
boîte de contrôle plus simple est aussi disponible, elle comprend un minuteur LOGO de
Siemens pour contrôler deux séries de vannes.
Le système intérieur de refroidissement comprend un ou deux rafraîchisseurs d'air.
Le Blow Molding Booster (BMB – renforceur de soufflage de moulage) avec une
température d'air à 1 – 5°C et le Blow Air Chiller (BAC-rafraîchisseur d'air de soufflage)
avec un procédé de température d'air aussi basse que -35°C sont disponibles avec une
série complète de blocs de vannes de soufflage convenables et des aiguilles ou cannes de
soufflage conçues individuellement.
Le Blow Molding Booster (BMB) est
un rafraîchisseur d'air comprimé ,
conçu par Rainer Farrag pour les
application de moulage
par
soufflage. La température de sortie d'air
est conçue pour être au-dessus de 0°C
pour éviter la congélation de l'humidité
de l'air comprimé à l'intérieur de
l'échangeur de chaleur (évaporateur) de
l'unité.
Le
rafraîchisseur
de
dimensions
appropriées pour l'application de moulage
par soufflage est capable de maintenir un
approvisionnement d'air comprimé à une
température de moins de 5°C pour le
processus de moulage par soufflage.
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L'unité refroidie par eau avec un contrôle constant de température est très compacte et
installée normalement au-dessus de la machine de moulage par soufflage, ainsi
économisant l'espace au sol. Il est conçu pour faire face à n'importe quelle qualité d'air
comprimé. La pression d'air recommandée doit être entre 6 et 12 bar. L'eau filtrée de
refroidissement à une température maximale de 20°C de l'usine est nécessaire pour
refroidir le circuit de réfrigération.
Une augmentation de production entre 15% et 35% est attendue avec BMB et des
bons composants du système de refroidissement intérieur d'air.
Le Blow Air Chiller (BAC – le refroidisseur d'air de soufflage) sophistiqué a été conçu
par Rainer Farrag pour rafraîchir l'air comprimé pour les systèmes de refroidissement
intérieur d'air jusqu'à une température aussi basse que -35°C. L'air comprimé est sèché
jusqu'à un point de rosée le plus bas que – 40 °C avant d'être rafraîchi dans l'échangeur de
chaleur (évaporateur) de l'unité de rafraîchissement intégré. Les Unités de BAC
nécessitent un approvisionnement de bonne qualité d'air comprimé à un point de
rosée de pression inférieur ou égal à 8 °C et un qantité d'huile inférieure à 0.01 g/m3.
Ceci est une qualité d'air
standard et disponible dans
plusieurs usines de moulage.
Les Unités BAC sont des
rafraîchisseurs
d'air
comprimé et nécessitent de
petites quantités d'eau de
refroidissement, filtrées à une
température pas plus que
15°C. Finalement, aucune
maintenance est nécessaire
quand une bonne qualité
d'air et d'eau (Standard
industriel) est approvisionée
aux unités. Les filtres d'air
sont fournies avec chaque
unité seulement pour sécurité
supplémentaire.
BAC est équipé avec un
Farrag Intelligent Terminal
(FIT – Terminal Intelligent
Farrag). Un micro-ordinateur
avec écran graphique pour un
contrôle plus précis et la
visualisation des données. Les
unités BAC compactes sont
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normalement posées sur le sol et peuvent être installées sur les plateformes boudineuses
des machines de moulage par soufflage industriels de grandes dimensions.
Une augmentation de production de 25 % à 50 % avec l'application de BAC en
complément d'un système de refroidissement intérieur d'air peut être attendue en la
comparant à un procédé conventionnel d'air stagnant. Quelques cas, dans le
moulage par soufflage industriel, on démontré une augmentation de plus de 100 %
dans la production.
L'isolation par mousse sur toutes les lignes d'air frais est très importante pour
garder l'air soufflé à une basse température tout le trajet entre l'unité et les outils de
soufflage.
Les expérimentations en moulage par soufflage avec les systèmes de refroidissement
d'air intérieurs ont prouvé que l’évacuation, de la température à travers la paroi
d'un réservoir est plus homogène et la température d'ensemble du produit est plus
basse quand le système de refroidissement intérieur est appliqué efficacement. La
qualité du produit s'améliore et la production de la ligne de production augmente.
L'illustration suivante montre la différence avec un exemple pratique.
Une petite bouteille est produite dans une machine de moulage par soufflage. La
température de l'eau utilisée pour refroidir le moule a été mesurée à 10 °C. La durée du
cycle dans un procédé conventionnel de soufflage d'air stagnant était de 11 secondes avec
un temps de refroidissement de 8 secondes (partie gauche de l'illustration).
Un certain point spécifique a été choisi pour mesurer la différence et le profil de
température a été mesuré à travers la paroi du produit à ce point. Une différence
dramatique de température, entre les surfaces intérieures et extérieures a été détectée.
Le système de soufflage a été ensuite changé par un système de refroidissement d'air
intérieur avec de l'air frais fournit à une température de 3°C. La température d'air frais est
restée inchangée avec le même temps de cycle de 11 secondes et un temps de
refroidissement de 8 secondes (milieu de l'illustration). La température d'ensemble a été
beaucoup plus basse que celle qui a été mesurée dans un processus de soufflage
conventionnel et les deux surfaces intérieure et extérieure ont démontré une température
beaucoup plus basse avec un pic au centre de la paroi.
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ARRIÉR-PLAN
Le troisième essai (la partie droite de l'illustration) a été exécuté avec la même
température d'eau fraîche dans le moule et la même température d'air comprimé mais le
temps de refroidissement a été réduite à 5.2 secondes. La durée totale du cycle a baissé en
conséquence à 8.2 secondes. Le niveau de température d'ensemble a été juste en dessous
des valeurs mesurées dans un procédé conventionnel et la température des deux surfaces
intérieure et extérieure a
été identique et juste un
peu plus élevée dans le
deuxième essai mais
plus basse qu’avec un
soufflage conventionnel
comme dans le premier
essai. La répartition de la
température à travers la
paroi a démontré un
sommet dans le milieu
de la paroi.
La production dans le
premier cas avec de
l'air stagnant a été de
327 bouteilles/heure,
mais dans le dernier
cas
avec
le
refroidissement d'air
intérieur, le débit de
production
a
augmentéde 33 % pour
obtenir jusqu'à 440
bouteilles/heure. Des
échantillons ont été
rassemblés dans tous les
essais et les dimensions
de la bouteille ont été
soumises
à
une
comparaison
qui
a
clairement démontré une
meilleure stabilité de
dimensions durant le
deuxième essai suivi par
les
échantillons
du
troisième essai. Les
échantillons
ramassés
durant le premier essai
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avec de l'air stagnant ont été très loin en arrière. Les essais de chute en charge ont été exécuté
et les résultats étaient semblables à ceux des essais de dimension.
Le produit testé (741,590 grammes) est une pièce pour l’automobile. Dû à son
emplacement à l'intérieur de la voiture (refroidisseur d'huile) il a une forme complexe. En
conséquence, le piece en polypropylène a des zones d'étiremement différentes, une
épaisseur de paroi variable (1.35 à 3.80 mm) et une large diversité de besoins en
évacuation de températures rendant la pièce plutôt difficile à souffler.
Pour des raisons de sécurité dans l'industrie automobile, le refroidisseur d'huile doit être
solide et sans tensions, ce qui a été très difficile d'obtenir avec un procédé de soufflage
stagnant conventionnel. Une comparaison entre le procédé habituel et le procédé de
refroidissement d'air intérieur a été faite pour justifier l'investissement et obtenir une
approbation du producteur des voitures pour appliquer le système de refroidissement d'air
intérieur.
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Table : Données pour la comparaison
Température de la préforme en °C
Température d'arrivée de l'eau fraîche en °C
Température de retour de l'eau fraîche en °C
Température de l'air comprimé en °C
Température de l'air d'échappement en °C
Pression de l'air du soufflage en bar
Consommation moyenne d'air en Litre/sec
Consommation de l'air en Litre/heure
Température de refroidissement en secondes
Température totale du cycle en secondes
Débit de production par heure
Augmentation de la production en %
Procédé avec
air stagnant
195
11.9
12.7
20
8.5
44
61
59
Refroidissement
d'air intérieur
199
11.4
12.5
-29
56
7.5
18
38,000
24
41
87.8
48.8
CALCULATION FINANCIÈRE
Stagnant air
cess
Encore une fois, des échantillons ont été rassemblés de la production normale avec un
soufflage d'air stagnant et après le changement vers le système de refroidissement d'air
intérieur.
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Coût de la machine à l'heure
Coût du personnel
Heures de production journalière
Poids du produit en grammes
Coût de la résine par kg
Coût de la résine par produit
Courant supplémentaire pour
refroidissement intérieur en kW
Additional energy cost for internal cooling/h
Coût de l'énergie supplémentaire pour
le refroidissement intérieur/hr
Coût de l'air comprimé/hr
Coût de fabrication/hr
Coût de fabrication journalière
Nombre journalier de produits
Coût de fabrication par produit
Profit journalier lié au refroidissement intérieur
Investissement dans le système de
refroidissement d'air intérieur
Amortissemont en jours
117.8
51.8
24
590
1.85
1.09
Internal air
cooling
117.8
51.8
24
540
1.85
1.00
7
0.18
234.02
5,617.00
1,416.00
3.97
64.91
1.95
260.75
6,258.00
2,107
2.97
2,107.00
70,000.00
33.22
AMORTISSEMENT: 33 jours seulement pour rembourser.
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