Optimization of cooling channels in plastic injection molding process: conventional straight-drilled cooling system vs conformal cooling system

Abstract

The optimization of the cooling system of a mold from the company COPEFI was carried out to improve the warpage of the parts. First, an optimization of the process parameters was performed using the mold in production. A comparison between simulated and experimental work was made with the intend to validate the simulation method. Afterwards, a new design, using conventional straight-drilled channels, was performed, and studied utilizing simulation software (Moldex3D). Finally, a new design, using conformal cooling channels, was performed, and evaluated resorting to simulation software. To improve warpage, the process parameters chosen were: A – Mold Temperature, B – Injection Temperature, C – Injection Speed, D- Holding Pressure Time and E – Cooling Time. Regarding to the design optimization, the parameters chosen were: A – Diameter, B – Distance between cooling channels, C – Distance between cooling channels and the part, D – Mold material and E – Number of circuits. In both cases, Taguchi’s orthogonal array was used as the Design of experiments (DOE) tool. An orthogonal array of L16 (215) was performed for all the simulated models and an orthogonal array of L8 (27) was used for the experimental work. Analysis of Variance was performed to find the contribution of the processing parameters on the improvement of warpage. Globally it was found a strong contribution of cooling time and injection temperature on process parameters optimization. An increase of cooling time seemed to decrease warpage and with a decrease of injection temperature should decrease warpage as well. In the case of conventional optimization, mold material was the factor with more contribution to warpage. Comparing the three designs, conventional straight-drilled channels design had the best results to improve warpage with an improvement up to 14%.

A otimização do sistema de arrefecimento de um molde da empresa COPEFI foi realizada de forma a melhorar o empeno das peças. Em primeiro lugar foi realizada uma otimização dos parâmetros de processo, utilizando o molde em produção. Procedeu-se à comparação entre o trabalho de simulação e o experimental, com o intuito de validar o método de simulação. Posteriormente, um novo projeto, utilizando canais de arrefecimento convencionais, foi realizado e estudado com recurso ao software de simulação (Moldex3D). Finalmente, um novo projeto, utilizando canais de arrefecimento conformais, foi realizado e estudado, recorrendo ao software de simulação. Para estudar uma possível melhoria do empeno, os parâmetros de processo escolhidos foram: A – Temperatura do Molde, B – Temperatura de Injeção, C – Velocidade de Injeção, D – Tempo de pós-pressão e E – Tempo de arrefecimento. Em relação Á otimização do design, os parâmetros escolhidos foram: A – Diâmetro, B – Distância entre os canais de arrefecimento, C – Distância entre os canais de arrefecimento e a peça, D – Material do molde e E – Número de circuitos. Em ambos os casos, a matriz ortogonal de Taguchi foi utilizada como ferramenta de design de experiências (DOE). Uma matriz ortogonal de L16 (215) foi realizada para todos os modelos simulados e uma matriz ortogonal de L8 (27) foi utilizada para o trabalho experimental. A análise de variância foi realizada para encontrar a contribuição dos parâmetros de processo na melhoria do empeno. Globalmente, foi encontrada uma forte contribuição do tempo de arrefecimento e da temperatura de injeção na otimização dos parâmetros de processo. Um aumento no tempo de arrefecimento diminuiu o empeno e com uma diminuição da temperatura de injeção também diminuiu o empeno. No caso da otimização convencional, o material do molde foi o fator que mais contribuiu para o empeno. Comparando os três designs, o design com canais de arrefecimento convencionais teve os melhores resultados na melhoria do empeno com uma otimização de até 14%.